ELECTROCHEMICAL PERFORMANCE OF Ag-CONTAINING Sn FOIL ELECTRODES FOR LI-ION BATTERIES

Year 2025, Volume: 33 Issue: 3, 2047 - 2053, 19.12.2025

Reşat Can Özden

https://doi.org/10.31796/ogummf.1826265

Abstract

The demand for high-capacity anode materials has encouraged the exploration of metal alloys that can surpass conventional graphite in lithium-ion batteries. In this study, the electrochemical behavior of Ag-containing Sn foil anodes was investigated, and the half-cell performance of a Sn–Ag (3 wt% Ag) solder alloy shaped into a foil through cold rolling was evaluated. The produced foil was tested in CR2032-type half-cells using lithium metal as the counter electrode. Multi-cycle cyclic voltammetry (CV) analyses were performed to identify the characteristic peaks associated with alloying and de-alloying mechanisms. Subsequently, constant-capacity charge–discharge experiments were conducted at different current densities (1–4 mA cm⁻²), and potential–capacity profiles along with cycling stability were examined. The results indicate that the Ag-containing Sn alloy foil achieves stable discharge capacities at current densities of 1 mA cm-2 and 2 mA cm-2, respectively. While a Coulombic efficiency of over 99% was obtained at these low current densities, it was determined that the discharge capacity decreased to approximately 1.4 mAh cm-2 due to high polarization when the current density was increased to 4 mA cm-2. The voltage profiles observed during constant-capacity cycling confirm the multi-step lithiation behavior of the Sn–Ag alloy. Overall, the findings reveal that Ag incorporation supports the electrochemical stability of Sn foil anodes and demonstrates that this alloy is a promising anode candidate for lithium-ion battery applications.

Keywords

Tin , Alloy , Foil , Lithium-Ion

Project Number

FHD-2025-3453

Ag İÇEREN Sn FOLYO ANOTLARIN LİTYUM-İYON PİLLERDE ELEKTROKİMYASAL DAVRANIŞI

Abstract

Yüksek kapasiteli anot malzemelerine olan ihtiyaç, lityum-iyon pillerde konvansiyonel grafitin ötesine geçen metal alaşımlarının araştırılmasını teşvik etmektedir. Bu çalışmada, Ag katkılı Sn folyo anotlarının elektrokimyasal davranışı araştırılmış ve Sn–Ag (%3 Ag) lehim alaşımının folyo formuna soğuk haddeleme ile şekillendirilmesiyle elde edilen yapının yarım hücre performansı değerlendirilmiştir. Üretilen folyo, CR2032 tipi yarım hücrelerde Li metali karşıt elektrot olarak kullanılarak test edilmiş; çoklu çevrimli döngüsel voltametri (CV) analizleriyle alaşımlanma–geri alaşımlanma mekanizmalarına ilişkin karakteristik pikler belirlenmiştir. Ardından farklı akım yoğunluklarında (1–4 mA cm⁻²) sabit kapasite kontrollü şarj–deşarj deneyleri gerçekleştirilmiş ve potansiyel–kapasite profilleri ile çevrim kararlılığı incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, folyo hâline getirilen Ag katkılı Sn alaşımının 1 mA cm-2 ve 2 mA cm-2 akım yoğunluklarında kararlı deşarj kapasitelerine ulaştığını göstermektedir. Bu düşük akım yoğunluklarında %99’un üzerinde Coulombik verim elde edilirken, akım yoğunluğu 4 mA cm-2 seviyesine çıkarıldığında yüksek polarizasyon etkisiyle deşarj kapasitesinin yaklaşık 1.4 mAh cm-2 seviyesine gerilediği belirlenmiştir. Sabit kapasite döngülerinde gözlenen gerilim eğrileri, Sn–Ag alaşımının çok kademeli lityumlama davranışını doğrulamaktadır. Genel olarak elde edilen bulgular, Ag katkısının Sn folyo anotlarda elektrokimyasal kararlılığı desteklediğini ve bu alaşımın lityum-iyon piller için potansiyel bir anot adayı olduğunu ortaya koymaktadır.

Keywords

Kalay , Alaşım , Folyo , Lityum-İyon

Supporting Institution

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Project Number

FHD-2025-3453

Thanks

Bu çalışma Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından FHD-2025-3453 no’lu proje kapsamında desteklenmiştir.

References

• Bhavan, J. S., Pazhani, A., Amer, M. ve diğerleri. (2024). Microstructural evolution and phase transformation on Sn–Ag solder alloys under high-temperature conditions focusing on Ag₃Sn phase. Advanced Engineering Materials, 26(13), 2400660. doi: https://doi.org/10.1002/adem.202400660
• Heligman, B. T., Kreder, K. J. ve Manthiram, A. (2019). Zn–Sn interdigitated eutectic alloy anodes with high volumetric capacity for lithium-ion batteries. Joule, 3(2), 493–504. doi: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.10.028
• Jeong, W. J., Wang, C., Yoon, S. G., Liu, Y., Chen, T. ve McDowell, M. T. (2024). Electrochemical behavior of elemental alloy anodes in solid-state batteries. ACS Energy Letters, 9, 2554–2563. doi: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c00915
• Nguyen, H. M. ve Kim, J. (2024). Enhancing the electrochemical performance of Sn–Zn alloy anode foil for lithium-ion batteries through microstructural engineering. Journal of Energy Chemistry, 93, 173–181. doi: https://doi.org/10.1016/j.jechem.2023.10.020
• Peng, H., Chen, S., Yu, H. ve diğerleri. (2022). Alloy-type anodes for high-performance rechargeable batteries. Angewandte Chemie International Edition, 61(38), e202208313. doi: https://doi.org/10.1002/anie.202208313
• Tu, N. T., Liang, X. ve Meng, Y. S. (2021). Circumventing chemo-mechanical failure of Sn foil battery anode by grain refinement and elaborate porosity design. Energy Storage Materials, 35, 34–45. doi: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.11.017
• Xu, R., Sun, J., Chen, Y., Li, Y. ve Zhang, X. (2019). Sn-alloy foil electrode with mechanical prelithiation: Full-cell performance up to 200 cycles. Nano Energy, 57, 157–165. doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.12.060
• Yang, J., Zavalij, P. Y. ve Whittingham, M. S. (2003). Anodes for lithium batteries: Tin revisited. Electrochimica Acta, 48, 4155–4161. doi: https://doi.org/10.1016/S0013-4686(03)00504-9
• Ying, H., Chen, H. ve Yu, H. (2017). Metallic Sn-based anode materials: Application in high-performance lithium-ion and sodium-ion batteries. Advanced Science, 4(6), 1600439. https://doi.org/10.1002/advs.201600439
• Zhang, Y., Guo, S., Li, Z., Zhou, X. ve Wang, X. (2021). A room temperature alloying strategy to enable commercial metal foil for efficient Li/Na storage and deposition. Energy Storage Materials, 38, 51–60. doi: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.03.017
• Zhang, Y., Li, T., Xu, R., Guo, S. ve Zhou, X. (2022). Defect character distribution regulation of alloy foil anode for high volumetric energy density lithium-ion batteries. Energy Storage Materials, 50, 130–139. doi: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.07.018