Effect of Deposition Conditions on the Electrochemical Characteristics of SnO2 Thin Films as Anodes for Lithium-Ion Batteries

Ж. Бахытжанова; М. Егамкулов; А. Бекмаханова; Г. Тажкенова; А. Нурпеисова; Ж. Бакенов; А. Муканова

doi:10.32523/3107-278X-2026-154-1-26-36

Влияние условий осаждения на электрохимические характеристики тонких пленок SnO2 в качестве анодов для литий-ионных аккумуляторов

Просмотры: 0 / Загрузок PDF: 0

Авторы

Ж. Бахытжанова L.N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0009-0000-9628-587X
Мұқағали Егамкулов Nazarbayev University, Institute of New Materials and Energy Technologies; Institute of Batteries LLC, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0002-1133-3201
А. Бекмаханова L.N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0009-0007-5430-9627
Г. Тажкенова L.N. Gumilyov Eurasian National University, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0003-0491-593X
А. Нурпеисова Institute of Batteries LLC, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0002-9657-2964
Ж. Бакенов Nazarbayev University, Institute of New Materials and Energy Technologies; Institute of Batteries LLC, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0003-2781-4955
А. Муканова Nazarbayev University, Institute of New Materials and Energy Technologies; Institute of Batteries LLC, Astana, Kazakhstan https://orcid.org/0000-0002-1171-176X

DOI:

https://doi.org/10.32523/3107-278X-2026-154-1-26-36

Ключевые слова:

литий-ионные аккумуляторы, SnO2, межслой Ti/Pt, радиочастотное магнетронное распыление, отжиг, электрохимические характеристики

Аннотация

Тонкоплёночные аноды SnO₂ были изготовлены методом ВЧ магнетронного распыления металлической мишени Sn на подложки из нержавеющей стали с покрытием Ti–Pt. Осаждение проводилось при комнатной температуре (RT) и при 300 °C в атмосфере Ar/O₂ с последующим отжигом на воздухе при 620 °C. Структура, морфология и электрохимические характеристики плёнок были систематически исследованы. Анализ рентгеновской дифракции (XRD) подтвердил формирование чистой фазы тетрагонального рутила SnO₂ без обнаружения вторичных фаз. Наблюдения методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) выявили значительные изменения размера зёрен и однородности поверхности в зависимости от температуры осаждения и термической обработки. Электрохимические испытания в монеточных ячейках CR2032 продемонстрировали характерный многостадийный механизм литирования SnO₂, включающий реакции конверсии и сплавообразования. Несмотря на то что отжиг способствовал повышению кристалличности и снижению поляризации, плёнки, осаждённые при комнатной температуре, показали более высокую долговременную циклическую стабильность по сравнению с образцами, полученными при повышенной температуре. Полученные результаты подчёркивают ключевую роль температуры осаждения и конфигурации подслоя в контроле структурной целостности и электрохимической стабильности тонкоплёночных анодов SnO₂ для литий-ионных аккумуляторов.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки

Manthiram, A. (2020). A reflection on lithium-ion battery cathode chemistry. Nature communications, 11(1), 1550. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15355-0

Nanda, J., Martha, S. K., & Kalyanaraman, R. (2015). High-capacity electrode materials for electrochemical energy storage: Role of nanoscale effects. Pramana, 84(6), 1073-1086. https://doi.org/10.1007/s12043-015-1006-8

Cameán, I., Lavela, P., Tirado, J. L., & García, A. B. (2010). On the electrochemical performance of anthracite-based graphite materials as anodes in lithium-ion batteries. Fuel, 89(5), 986-991. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.06.034

Poizot, P. L. S. G., Laruelle, S., Grugeon, S., Dupont, L., & Tarascon, J. M. (2000). Nano-sized transition-metal oxides as negative-electrode materials for lithium-ion batteries. Nature, 407(6803), 496-499. https://doi.org/10.1038/35035045

Cabana, J., Monconduit, L., Larcher, D., & Palacin, M. R. (2010). Beyond intercalation‐based Li‐ion batteries: the state of the art and challenges of electrode materials reacting through conversion reactions. Advanced materials, 22(35), E170-E192. https://doi.org/10.1002/adma.201000717

Kamali, A. R., & Fray, D. J. (2011). Tin-based materials as advanced anode materials for lithium ion batteries: a review. Rev. Adv. Mater. Sci, 27(1), 14-24.

Yegamkulov, M., Bakhytzhanova, Z., Bekmakhanova, A., Issatayev, N., Nurpeissova, A., Bakenov, Z., & Mukanova, A. (2025). Morphology and interfacial design of SnO2 thin-film anodes for high-performance lithium-ion batteries. RSC advances, 15(39), 32810-32820. https://doi.org/10.1039/D5RA05444C

Serikkazyyeva, A., Mashekova, A., Uzakbaiuly, B., Bakenov, Z., & Mukanova, A. (2023). Novel Li/LixSny thin film designed as an anode for lithium-ion microbatteries. Journal of Alloys and Compounds, 965, 171381. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.171381

Asenbauer, J., Kuenzel, M., Eisenmann, T., Birrozzi, A., Chang, J. K., Passerini, S., & Bresser, D. (2020). Determination of the volume changes occurring for conversion/alloying-type Li-ion anodes upon lithiation/delithiation. The journal of physical chemistry letters, 11(19), 8238-8245. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c02198

Yu, Y., Chen, C. H., & Shi, Y. (2007). A tin‐based amorphous oxide composite with a porous, spherical, multideck‐cage morphology as a highly reversible anode material for lithium‐ion batteries. Advanced materials, 19(7), 993-997. https://doi.org/10.1002/adma.200601667

Kebede, M. A. (2020). Tin oxide–based anodes for both lithium-ion and sodium-ion batteries. Current Opinion in Electrochemistry, 21, 182-187. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2020.02.003

Huang, B., Li, X., Pei, Y., Li, S., Cao, X., Massé, R. C., & Cao, G. (2016). Novel carbon‐encapsulated porous SnO2 anode for lithium‐ion batteries with much improved cyclic stability. Small, 12(14), 1945-1955. https://doi.org/10.1002/smll.201503419

Teng, X., Zhang, F., Li, Q., Wang, X., Ye, W., Li, H., & Hu, H. (2020). Interfacial engineering of self-supported SnO2 nanorod arrays as anode for flexible lithium-ion batteries. Journal of The Electrochemical Society, 167(12). https://doi.org/10.1149/1945-7111/abac86

Omampuliyur, R. S., Bhuiyan, M., Han, Z., Jing, Z., Li, L., Fitzgerald, E. A., & Choi, W. K. (2015). Nanostructured thin film silicon anodes for Li-ion microbatteries. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 15(7), 4926-4933. https://doi.org/10.1166/jnn.2015.9831

Xia, Q., Zan, F., Zhang, Q., Liu, W., Li, Q., He, Y., & Xia, H. (2023). All‐solid‐state thin film lithium/lithium‐ion microbatteries for powering the Internet of things. Advanced Materials, 35(2), 2200538. https://doi.org/10.1002/adma.202200538

Nur-E-Alam, M., Lonsdale, W., Vasiliev, M., & Alameh, K. (2019). Application-specific oxide-based and metal–dielectric thin-film materials prepared by radio frequency magnetron sputtering. Materials, 12(20), 3448. https://doi.org/10.3390/ma12203448

Ren, J., Xu, G., Li, K., Yang, A., Chu, J., Yuan, H., & Wang, X. (2025). Research on the fabrication process of DMC sensors based on RF magnetron sputtered SnO2 thin films. Sensors and Actuators A: Physical, 117088. https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.117088

Kumar, S. S., Rubio, E. J., Noor-A-Alam, M., Martinez, G., Manandhar, S., Shutthanandan, V., & Ramana, C. V. (2013). Structure, morphology, and optical properties of amorphous and nanocrystalline gallium oxide thin films. The Journal of Physical Chemistry C, 117(8), 4194-4200. https://doi.org/10.1021/jp311300e

Ghantasala, S. B. & Sharma, S. (2023). Magnetron sputtered thin films based on transition metal nitride: structure and properties, Phys. Status Solidi A, 220, 2200229. https://doi.org/10.1002/pssa.202200229

Morankar, P. J., Amate, R. U., Yewale, M. A., & Jeon, C. W. (2024). Effect of annealing temperature on morphology and electrochromic performance of electrodeposited WO3 thin films. Crystals, 14(12), 1038. https://doi.org/10.3390/cryst14121038

Shao, C., Yu, J., Li, X., Wang, X., & Zhu, K. (2017). Influence of the Pt nanoscale interlayer on stability and electrical property of Ti/Pt/Sb-SnO2 electrode: a synergetic experimental and computational study. Journal of Electroanalytical Chemistry, 804, 140-147. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.09.057

Courtney, I. A., & Dahn, J. R. (1997). Electrochemical and in situ X‐ray diffraction studies of the reaction of lithium with tin oxide composites. Journal of the Electrochemical Society, 144(6), 2045-2052. https://doi.org/10.1149/1.1837740

Habte, A. G., Hone, F. G., & Dejene, F. B. (2020). Influence of annealing temperature on the structural, morphological and optical properties of SnO2 nanoparticles. Physica B: condensed Matter, 580, 411760. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.411760

Dong, W., Xu, J., Wang, C., Lu, Y., Liu, X., Wang, X. & Huang, F. (2017). A robust and conductive black tin oxide nanostructure makes efficient lithium‐ion batteries possible. Advanced materials, 29(24), 1700136. https://doi.org/10.1002/adma.201700136

Zhang, W., Cai, T. H., & Sheldon, B. W. (2019). The impact of initial SEI formation conditions on strain‐induced capacity losses in silicon electrodes. Advanced Energy Materials, 9(5), 1803066. https://doi.org/10.1002/aenm.201803066

Jiang, Y., Li, Y., Zhou, P., Lan, Z., Lu, Y., Wu, C., & Yan, M. (2017). Ultrafast, highly reversible, and cycle‐stable lithium storage boosted by pseudocapacitance in Sn‐based alloying anodes. Advanced Materials, 29(48), 1606499. https://doi.org/10.1002/adma.201606499