Ионная проводимость нано- и микроразмерной керамики холодного прессования на основе твердого электролита (Ce0.5Pr0.5)0.95Sr0.05F2.95 со структурой тисонита
- 作者: Sorokin N.I.1, Koshelev A.V.1, Arkharova N.A.1, Karimov D.N.1
-
隶属关系:
- Department “Institute of Crystallography named after A.V. Shubnikov” of the Kurchatov complex of crystallography and photonics NRC “Kurchatov Institute”,
- 期: 卷 61, 编号 1–2 (2025)
- 页面: 93-99
- 栏目: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/307082
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X25010092
- EDN: https://elibrary.ru/kfqlfv
- ID: 307082
如何引用文章
详细
Продолжены исследования по разработке технологии синтеза нанокерамических электролитов на основе высокопроводящих нестехиометрических тисонитовых (пр. гр. P c3 1) твердых растворов. Получены нано- и микроразмерные образцы керамики состава (Ce0.5Pr0.5)0.95Sr0.05F2.95, исследованы их рентгенографические, структурно-морфологические и кондуктометрические характеристики. Исходный твердый электролит синтезировали методом спонтанной кристаллизации расплава во фторирующей атмосфере, затем измельчали в ступке и в шаровой мельнице для получения порошка разных фракций и прессовали холодным способом. Обнаружено, что наноразмерная керамика обладает более высокими электролитическими характеристиками в сравнении с микрокерамикой. Ионная проводимость нанокерамики (Ce0.5Pr0.5)0.95Sr0.05F2.95 составляет σdc = 4.7 × 10−3 См/см при 500 K, энтальпия активации ионного переноса обусловлена миграцией вакансий фтора на межзеренных границах и составляет ΔHa = 0.43 эВ (T < 560 K) и 0.27 эВ (T > 560 K). Катионный состав изученного многокомпонентного твердого электролита является перспективным для дальнейшей оптимизации синтеза фторидной нанокерамики и ее практического применения в твердотельных электрохимических устройствах.
作者简介
N. Sorokin
Department “Institute of Crystallography named after A.V. Shubnikov” of the Kurchatov complex of crystallography and photonics NRC “Kurchatov Institute”,
Email: nsorokin1@yandex.ru
Leninsky Ave., 59, Moscow, 119333 Russia
A. Koshelev
Department “Institute of Crystallography named after A.V. Shubnikov” of the Kurchatov complex of crystallography and photonics NRC “Kurchatov Institute”,
Email: nsorokin1@yandex.ru
Leninsky Ave., 59, Moscow, 119333 Russia
N. Arkharova
Department “Institute of Crystallography named after A.V. Shubnikov” of the Kurchatov complex of crystallography and photonics NRC “Kurchatov Institute”,
Email: nsorokin1@yandex.ru
Leninsky Ave., 59, Moscow, 119333 Russia
D. Karimov
Department “Institute of Crystallography named after A.V. Shubnikov” of the Kurchatov complex of crystallography and photonics NRC “Kurchatov Institute”,
编辑信件的主要联系方式.
Email: dnkarimov@gmail.com
Leninsky Ave., 59, Moscow, 119333 Russia
参考
- Sorokin N.I., Karimov D.N.Optimization of the solid electrolytes composition in MF2−LaF3−NdF3and MF2−CeF3−PrF3(M = Ca, Sr, Ba) systems by room ionic conductivity // Crystallogr. Rep. 2024. V. 69. № 6. P.924–930. https://doi.org/10.1134/S1063774524602144
- Anji Reddy M., Fichtner M.Batteries based on fluoride shuttle // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 17059–17062. https://doi.org/10.1039/C1JM13535J
- Zhang M., Cao X., Hao Y., Wang H., Pu J., Chi B., Shen Z.Recent progress, challenges and prospects of electrolytes for fluoride-ion batteries // Energy Rev. 2024. V. 3. P. 100083. https://doi.org/10.1016/j.enrew.2024.100083
- Kawahara K., Ishikawa R., Sasano S., Shibata N., Ikuhara N.La1−xSrxF3−x: a solid-state electrolyte for fluoride ion battery with high ionic conductivity and wide electrochemical potential window // J. Electrochem. Soc. 2024. V. 171. P. 110508. https://doi.org/10.1149/1945-7111/ad8d10
- Xiao A.W., Galatolo G., Pasta M.The case for fluoride-ion batteries // Joule.2021.V. 5.P. 2823−2844.https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.09.016
- Сорокин Н.И., Соболев Б.П., Кривандина Е.А., Жмурова З.И.Оптимизация по проводимости при 293 К монокристаллов твердых электролитов со структурой тисонита (LaF3). Часть 2. Нестехиометрические фазыR1−yMyF3−y(R = La —Lu,Y;M =Sr,Ba) // Кристаллография.2015.Т. 60. № 1.С. 123–129. https://doi.org/10.7868/S0023476114040195
- Breuer S., Langhammer S., Kiesl A., Wilkening M.F Anion dynamics in cation-mixed nanocrystalline LaF3:SrF2 // J. Mater. Sci. 2018. V. 53. P. 13669–13681. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2361-x
- Motohashi K., Nakamura T., Kimura Y., Uchimoto Y., Amezawa K.Influence of microstructures on conductivity in tysonite-type fluoride ion conductors // Solid State Ionics. 2019. V.338. P.113–120. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2019.05.023
- Chable J., Martin A.G., Bourdin A., Body M., Legein C., Jouanneaux A., Crosnier-Lopez M.P., Galven C., Dieudonnė B., Leblanc M., Demourgues A., Maisonneuve V.Fluoride solid electrolytes: from microcrystalline to nanostructured tysonite-type La0.95Ba0.05F2.95 // J. Alloys Compd. 2017. V. 692. P. 980–988. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.09.135
- Duvel A., Bednarcik J., Sepelak V., Heitjans P.Mechanosynthesis of the fast fluoride ion conductor Ba1–xLaxF2+x — from the fluorite to the tysonite structure // J. Phys. Chem. 2014. V. 118. P. 7117. https://doi.org/10.1021/jp410018t
- Rongeat C., Anji Reddy M., Witter R., Fichtner M.Solid electrolytes for fluoride ion batteries: ionic conductivity in polycrystalline tysonite-type fluorides // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2014. V. 6. P. 2103–2110.https://doi.org/10.1021/am4052188
- Сульянова Е.А., Каримов Д.Н., Сульянов С.Н., Жмурова З.И., Голубев А.М., Соболев Б. П. Наноструктурированные кристаллы флюоритовых фазSr1−xRxF2+x(R — редкоземельные элементы) и их упорядочение. Часть 10. Упорядочение при спонтанной кристаллизации и отжиге сплавов Sr1−xRxF2+x(R = Tb–Lu, Y) с 23.8–36.1 мол.%RF3 //Кристаллография. 2015.Т. 60. № 1.С. 158–169. https://doi.org/10.7868/S0023476115010245
- Buchinskaya I.I., Arkharova N.A., Ivanova A.G., Sorokin N.I., Karimov D.N.Synthesis, microstructure, and electrical conductivity of eutectic composites in MF2-RF3(M = Ca, Sr, Ba;R = La-Nd) systems // J. Compos. Sci. 2023.V. 7. № 8.P. 330. https://doi.org/10.3390/jcs7080330
- Сорокин Н.И., Фоминых М.В., Кривандина Е.А., Жмурова З.И., Соболев Б.П.Ионный переносв твердых растворахR1−xSrxF3−xсо структурой типаLaF3(тисонита) // Кристаллография. 1996. Т. 41. № 2. С.310–319.
- Сорокин Н.И., Архарова Н.А., Каримов Д.Н.Синтез наноразмерного твердого электролитаPr1−ySryF3−yи исследование влияния термообработки на ионную проводимость фторидной нанокерамики // Кристаллография. 2024. Т. 69. № 4. С. 676–684. https://doi.org/10.31857/S0023476124040145
- Сорокин Н.И., Кривандина Е.А., Жмурова З.И.Зависимостиплотности монокристалловM1−xRxF2+x и R1−yMyF3−y(M =Ca,Sr,Ba,Cd,Pb;R-редкоземельные элементы) от состава // Кристаллография.2013.Т. 58. № 6.С.952–956. https://doi.org/10.7868/S0023476113060222
- Sobolev B.P., Sorokin N.I., Bolotina N.B.Photonic & electronic properties of fluoride materials / Eds. Tressaud A., Poeppelmeier K. Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 465. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801639-8.00021-0
- Мурин И.В., Глумов О.В., Амелин Ю.В.Механизм ионного переноса в LaF3 // Журн. прикл. химии.1980.Т. 53. № 7.С. 1474–1478.
- Roos A., van de Pol F.C.M., Keim R., Schoonman J.Ionic conductivity in tysonite-type solid solutions La1−xBaxF3−x // Solid State Ionics.1984.V. 13.P. 191–203. https://doi.org/10.1016/0167-2738(84)90030-4
- Сорокин Н.И., Ивановская Н.А., Соболев Б.П.Ионная проводимость керамик холодного прессования из помола синтезированных реакцией в расплаве твердых электролитовR0.95M0.05F2.95(R =La,Nd;M =Ca,Sr,Ba) // Кристаллография.2014.Т. 59. № 2.С.286–289. https://doi.org/10.7868/S002347611402026X
- Chable J. Fluoride solid electrolytes for fluoride ion battery // Thesis. 2015 (in French). https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01266054
- Chable J., Dieudonne B., Body M., Legein C., Crosnier-Lopez M.-P., Galven C., Mauvy F., Durand E., Fourcade S., Sheptyakov D., Leblanc M., Maisonneuve V., Demourgues A.Fluoride solid electrolytes: investigation of the tysonite-type solid solutions La1−xBaxF3−x (x < 0.15) // Dalton Trans. 2015. V. 44. № 45. P. 19625–19635. https://doi.org/10.1039/c5dt02321a
- Breuer S., Gombotz M., Pregartner V., Hanzu I., Martin H., Wilkening R. Heterogeneous F anion transport, local dynamics and electrochemical stability of nanocrystalline La1−xBaxF3−x // Energy Storage Mater. 2019. V. 16. P.481–503. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.10.010
- Gombotz M., Pregartner V., Hanzu I., Wilkening H.M.R.Fluoride-ion batteries: on the electrochemical stability of nanocrystalline La0.9Ba0.1F2.9 against metal electrodes // Nanomaterials. 2019. V. 9. P. 1517. https://doi.org/10.3390/nano9111517
- Bratia H., Thien D.T., Pohl H.P., Chakravadhanula V.S.K., Fawey M.H., Kübel C., Fichtner M.Conductivity optimization of tysonite-type La1−xBaxF3−xsolid electrolytes for advanced fluoride ion battery // ACS Appl. Mater.Interfaces. 2017.V. 9.P. 23707–23715. https://doi.org/10.1021/acsami.7b04936
- Соболев Б.П., Сорокин Н.И., Кривандина Е.А., Жмурова З.И.Оптимизация по проводимости при 293 К монокристаллов твердых электролитов со структурой тисонита (LaF3). Часть 1. Нестехиометрические фазыR1−yCayF3−y(R =La–Lu,Y) // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 4. С.609–622. https://doi.org/10.7868/S0023476114040195
- Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Бучинская И.И.Проводимость твердых электролитовR1−yPbyF3−y(R =Pr,Nd) со структурой тисонита // Электрохимия.2021.Т. 57. № 8.С.465–472. https://doi.org/10.31857/S0424857021070136
- El Omari M., Senegas J., Reau J.-M.Ionic conductivity properties and 19F NMR investigation in Ln1−yCdyF3−y (Ln = Ce, Nd) solid solutions with tysonyte-type structure. Part1.Ionicconductivityproperties //SolidStateIonics. 1998.V. 107.P.281–291. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(97)00535-3
- Сорокин Н.И., Соболев Б.П.Граница проводимости фторпроводящих твердых электролитов для функционирования электрохимических устройств при комнатной температуре // Кристаллография.2015.Т. 60. № 3.С.431–434. https://doi.org/10.7868/S0023476115030194
- Patro L.N. Role of mechanical milling on the synthesis and ionic transport properties of fast fluoride ion conductivity materials // J. Solid State Electrochem. 2020. V. 20. P. 2219. https://doi.org/10.1007/s10008-020-04769-X
补充文件
