IONIC CONDUCTIVITY OF FLUORITE-TYPE SOLID SOLUTIONS M1−xScxF2+x (M = Ca, Sr, Ba, Pb): A COMPARATIVE ANALYSIS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A comparative analysis of the electrophysical (ionic conductivity, enthalpy of ion transport activation) and crystal chemical (lattice parameters, ionic radii, cation polarizability) characteristics of scandium-containing solid electrolytes M1−xScxF2+x (M = Ca, Sr, Ba, Pb) has been conducted. The M1−xScxF2+x solid solutions with the fluorite-type structure (space group) were grown from the melt using vertical directional (single crystals, M = Ca, Sr, Pb) and spontaneous (polycrystalline alloys, M = Ba) crystallization methods. The fluoride-ion conductivity of solid solutions based on the BaF2 and β-PbF2 fluorite-type matrices is 5–6 orders of magnitude higher, while the enthalpy of ion transport activation is 2–4 times lower, compared to the corresponding characteristics of solid solutions based on CaF2 and SrF2. The high conductivity of the M1−xScxF2+x (M = Ba, Pb) solid electrolytes is attributed to the large ionic radii of the Ba2+ and Pb2+ cations (size factor) and the high polarizability of the Pb2+ cations (polarization factor). The influence of these factors leads to an increase in free space and a reduction of potential barriers for the migration of mobile fluoride ions.

About the authors

N. I Sorokina

A.V. Shubnikov Institute of Crystallography, Crystallography and Photonics Complex, National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: nsorokin1@yandex.ru
Moscow, Russia

References

  1. Sobolev B.P., Sorokin N.I., Bolotina N.B. // Photonic & Electronic Properties of Fluoride Materials. V. 1. in Ser. Progress in Fluorine Science / Eds. Tressaud A., Poeppelmeyer K., Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 465.
  2. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 1. С. 94. https://doi.org/10.31857/S0023476120010245
  3. Сорокин Н.И., Голубев А.М., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 2. С. 275.
  4. Трновцова В., Федоров П.П., Фурар И. // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 6. С. 668.
  5. Fedorov P.P., Turkina T.M., Sobolev B.P. et al. // Solid State Ionics. 1982. V. 6. P. 331.
  6. Archer J.A., Chadwick A.V., Jack I.R. et al. // Solid State Ionics. 1983. V. 9-10. P. 505.
  7. Бучинская И.И., Федоров П.П. // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 4. С. 404.
  8. Sobolev B.P. The Rare Earth Trifluorides. Part 1. The High Temperature Chemistry of Rare Earth Trifluorides, Institute of Crystallography, Moscow, and Institut d'Estudis Catalans, Barcelona: Institut d'Estudis Catalans, Spain. 2000. 520 p.
  9. Федоров П.П., Триновова В., Мелешина В.А. и др. // Неорган. материалы. 1994. Т. 30. № 3. С. 406.
  10. Gredin P., de Kozak A., Quarton M. et al. // Z. Anorg. Allg. Chem. 1993. V. 619. № 6. P. 1088.
  11. Маклачков А.Г., Ипполитов Е.Г. // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1970. Т. 6. № 9. С. 1713.
  12. Ипполитов Е.Г., Маклачков А.Г. // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1970. Т. 6. № 1. С. 146.
  13. Бучинская И.И., Попов П.А., Сорокин Н.И. // Неорган. материалы. 2024. Т. 60. № 5. С. 601. https://doi.org/10.31857/S0002337X24050094
  14. Сульянова Е.А., Молчанов В.Н., Сорокин Н.И. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 4. С. 612.
  15. Сорокин Н.И., Кривандина Е.А., Жмурова З.И., Соболев Б.П. // Материалы 2-го Уральск. кристаллограф. совещ. "Кристаллография-98". Сыктывкар. Республика Коми. Россия. 17-19 ноября. 1998. С. 80.
  16. Trnovcova V., Sorokin N.I., Fedorov P.P. et al. // Ionics. 2000. V. 6. P. 351.
  17. Meyer A., Ten Eicken J., Glumov O.V. et al. // Radiation Effects and Defects in Solids. 1995. V. 137. P. 147. https://doi.org/10.1080/10420/59508222710
  18. Vasina S., Tagirova M., Ryabikov V. // E3S Web of Conferences. 2024. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202453102021
  19. Ten Eicken J., Gunsser W., Chernov S.V. et al. // Solid State Ionics. 1992. V. 53-56. P. 843. https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90263-O
  20. Сорокин Н.И. // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 4. С. 710. https://doi.org/10.21883/FTT.2018.04.45680.279 [Physics of the Solid State. 2018. V. 60. № 4. P. 714].
  21. Сорокин Н.И., Федоров П.П., Соболев Б.П. // Неорган. материалы. 1997. Т. 33. № 1. С. 5.
  22. Trnovcova V., Fedorov P.P., Buchinskaya I.I. et al. // Solid State Ionics. 1999. V. 119. P. 181.
  23. Маякова М.Н., Кузнецов С.В., Воронов В.В. и др. // Журн. неорган. химии. 2024. Т. 59. № 7. С. 988. https://doi.org/10.7868/S00444457X14070228
  24. Бучинская И.И., Сорокин Н.И. // Журн. неорган. химии. 2024. Т. 69. № 5. С. 665.
  25. Shannon R.D. // Acta Crystallogr., Sect. A. 1976. V. 32. № 5. P. 751. https://doi.org/10.1107/S056773947600155
  26. Jørgensen C.K. // Topics Current Chem. 1975. P. 1.
  27. Федоров П.П., Саттарова М.А., Спиридонов Ф.М., Соболев Б.П. // Журн. неорган. химии. 1987. Т. 32. № 7. С. 1796.
  28. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Электрохимия. 2007. Т. 41. № 4. С. 420.
  29. Sorokin N.I., Breiter M.W. // Solid State Ionics. 1999. V. 116. P. 157.
  30. Kröger F.A. The Chemistry of Imperfect Crystals. Amsterdam: Holland Publishing Company, 1964. 1039 p.
  31. Sulyanova E.A., Sobolev B.P. // CrystEngComm. 2022. V. 24. P. 3762. https://doi.org/10.1039/d2ce00280a
  32. Hull S. // Rep. Prog. Phys. 2004. V. 67. № 7. P. 1233.
  33. Fedorov P.P. // Bull. Soc. Cat. Cien. 1991. V. 12. № 2. P. 349.
  34. Готлиб И.Ю., Мурин И.В., Пиотровская И.В., Бродская Е.Б. // Неорган. материалы. 2002. Т. 38. С. 358.
  35. Bonne R.W., Schoonman J. // J. Electrochem. Soc. 1977. V. 124. P. 28.
  36. Мурин И.В., Глумов А.В., Глумов О.В. // Электрохимия. 1979. Т. 15. № 8. С. 1119.
  37. Bollmann W., Reimann R. // Phys. Status Solidi. A. 1973. V. 16. P. 187.
  38. Schoonman J., den Hartog H.W. // Solid State Ionics. 1982. V. 7. P. 9.
  39. Figueroa D.R., Chadwick A.V., Strange J.H. // J. Phys. C. 1978. V. 11. P. 55.
  40. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 3. С. 431.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).