Катионпроводящие фазы в системе Li3PO4-Na3PO4-InPO4

Развитие микрои наноэлектроники определяет спрос на компактные источники тока и высокоемкостные аккумуляторные батареи. В связи с этим актуальным остается вопрос поиска новых проводящих материалов с необходимыми электрофизическими характеристиками (высокие значения ионной проводимости, низкие энергии активации).

Создание технологий получения новых материалов и усовершенствование уже известных не могут быть решены исследованиями только в области материаловедения, необходим комплексный подход в сочетании с физико-химическим изучением конкретных систем и эффективным поиском взаимосвязи строения (структуры) соединений с их свойствами.

Одними из наиболее перспективных материалов, обладающих высокой проводимостью по ионам лития являются соединения со структурой НАСИКОН и их производные с общей формулой Мз1М21И (Р04)з, где М1 — Ы, ИаМ1″ - 8с, Сг, Бе, Тп. Химическая и термическая стабильность, высокая ионная проводимость и низкая теплопроводность насиконоподобных фаз базируются, в основном, на кристаллохимических особенностях их строения. Структура соединений представляет собой смешанный жесткий каркас, который образован тетраэдрами [Р04] и октаэдрами [МшОб], соединенными между собой вершинами, образуя тем самым систему каналов, по которым перемещаются проводящие катионы М1. Благодаря такому строению, перспективным подходом для улучшения ионной подвижности в насиконоподобных материалах является гетеровалентное замещение, которое приводит к возможности тонкого регулирования свойств соединений в целом, и что немаловажно с практической точки зрения, приводит к значительному увеличению ионной проводимости за счет образования дефектов в структуре.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

выводы.

1. Разработана методика контролируемого синтеза высокопроводящих насиконоподобных соединений 1л31п2(Р04)3 и Ка31п2(Р04)3 в системе 1л3Р04-Ка3Р04−1пР04 и их легированных фаз и31п24/3^гх (Р04)3, Каз1п2.4/з^гх (Р04)з. Показано, что транспортные характеристики полученных соединений соответствуют известным мировым показателям (ионная проводимость 10″ — 10″ 2 Ом" 1-см-1).

2. Построены изотермические сечения трехкомпонентной системы 1л3Р04-№зР04−1пР04 и образующих систем 1л3Р04−1пР04, Ка3Р04−1л3Р04, ]Ма3Р04−1пР04 при 950 °C. Установлено существование сложных фосфатов 1л31п2(Р04)з (аи (3- модификации), 1л31п (Р04)2, Ка31п2(Р04)3, и2ИаР04, 1лКа5(Р04)2 и твердых растворов на их основе Ка3(1.х)1пхР04 (0<х<0,20), а -^з (1.х)1п2+х (Р04)з (0<х<0,44), а — Ь13(1.х)1п2+х (Р04)3 (0,67<х<0,80), р-1Л3. хКах1п2(Р04)3 (0,05<х<0,10), и1Ча5−3×1пх (Р04)2 (0,17<х<0,20).

3. Исследованы термические свойства синтезированных соединений. Подтверждены температуры фазовых переходов, полученных насиконоподобных фаз (1л31п2(Р04)3 — 106°С) и определена температура плавления (1047°С) впервые выделенного соединения 1л31п (Р04)2.

4. Методами колебательной спектроскопии (ИК и КР) исследованы соединения аи |3−1л31п2(Р04)3 и 1л31п (Р04)2 и их изотопозамещенные.

— у 1л—> 1л) аналоги, благодаря чему установлено наличие в данных фазах самостоятельной подрешетки лития и выявлена взаимосвязь «состав-структура-свойство».

5. Измерена ионная проводимость синтезированных насиконоподобных фаз, которая соответствует порядку величины 10″ и 10″ «Ом» -см", что позволяет отнести данные фазы к суперионным материалам. Установлена корреляция величин ионной проводимости с результатами колебательной спектроскопии.

6. В результате тестирования сложных фосфатов а- 1л31п2(Р04)3 и а-1л31п2.4х/^гх (Р04)3 (х=0.1) в качестве электродов химических источников тока, установлена перспективность их использования как для положительного (катода) электрода литиевого аккумулятора, так и для отрицательного (анода) электрода литий-ионного аккумулятора.

Заключение

.

Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что структурный тип НАСИКОН является наиболее благоприятным для осуществления ионного транспорта. В связи с этим представляется целесообразным синтез и исследование новых фаз со структурой НАСИКОН, в частности, это относится к сложным фосфатам индия и лития (натрия). В последнее время именно соединения лития привлекают особое внимание исследователей, так как они успешно используются в химических источниках тока.

С целью продолжения исследований в области синтеза и изучения новых катионпроводящих фаз на основе сложных фосфатов в задачи представленной работы входит:

• изучить фазовые равновесия в бинарных системах и построить изотермическое сечение в субсолидусной области (950°С) трехкомпонентной системы 1лзР04-Ка3Р04−1пР04;

• выявить области существования фаз в исследуемой тройной системе и образующих ее бинарных системах при 950 °C;

• исследовать физико-химические свойства синтезированных сложных фосфатов и установить взаимосвязь «состав-структура-свойство»;

• измерить ионную проводимость выявленных насиконоподобных фаз и оценить перспективность их использования в химических источниках тока.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Физико-химические методы исследования 2.1.1. Метод твёрдофазного взаимодействия.

Твердофазными называются реакции, если в них участвует, хотя бы одна твёрдая фаза [96]. Процесс твёрдофазного синтеза осуществляется нагреванием смесей взаимодействующих твёрдых кристаллических веществ ниже их температуры плавления. Твердофазные реакции существенно отличаются от химических реакций в жидкой и газовой фазах. Простейшая реакция такого типа:

Ат+В,—> АВТ.

В твердофазных реакциях взаимодействие твёрдых реагентов сначала локализуется на границе раздела фаз в области их контакта, площадь которого меньше общей поверхности реальных зёрен (0,01−10 мм) приблизительно в 104 раз. Зона реакции, начавшейся на поверхности раздела, постепенно продвигается в объём непрореагировавшего материала. Эта зона имеет, как правило, ограниченную протяженность, равную нескольким межатомным расстояниям по обе стороны от геометрической поверхности раздела. Реакция на данном участке, приводящая к образованию продукта АВ, не может быть единственным процессом, в результате которого реакция могла бы полностью завершиться в конечное время. Взаимодействие может продолжаться только при развитии транспортных процессов переноса вещества к реакционной зоне и её расширения [96].

Взаимодействие можно представить следующими элементарными стадиями: активация и отрыв от поверхности частиц менее термостабильного компонента А, внешняя диффузия, адсорбция части компонента, А на поверхности компонента В и образование тонкого хемосорбированного слоя А, химическое взаимодействие, образование двумерных зародышей АВ, и слоя продукта АВ, внутренняя диффузия.

Каждая из этих стадий может быть лимитирующей, однако наибольшее значение имеет собственно химическая реакция и диффузионный перенос вещества в зону реакции.

Вероятность протекания твердофазной реакции определяется величиной энергии Гиббса. При отсутствии кинетических затруднений реакция возможна, если ДСт < 0. Для многих реакций данного типа изменение энтропии очень мало, в первом приближении можно считать А8°298 ~ О, следовательно:

АО°т=АН°т — Т*Д8°т ~ АН°т, поэтому направление реакции, соответствующее уменьшению свободной энергии, будет определяться уменьшением теплосодержания АН°Г.

Взаимодействие, протекающее на поверхности раздела фаз, зависит от пространственного расположения масс реагирующих компонентов, их свойств и связано с возникновением новых фаз. Для реакции необходима массопередача — частицы реагирующих веществ должны перемещаться в зоне взаимодействия через разделяющие среды (внешняя диффузия), по поверхности зёрен (поверхностная диффузия) и внутри зёрен (внутренняя диффузия). Реакция имеет большое число стадий, каждая из которых может быть лимитирующей. Вследствие сложности механизма для твердофазных реакций нельзя указать общих кинетических законов. Необходимое условие для твердофазных реакций — подвижность элементов кристаллической решётки и возможность диффузии, которая увеличивается в кристаллах с нарушенной структурой. В них разрываются связи между атомами, и понижается энергия активации отрыва частиц от её окружения. Поэтому стараются возможно сильнее нарушить структуру кристаллов, перевести их в активное состояние. Один из способов активирования — механическая обработка, т. е. измельчение, благодаря которому сильно увеличивается поверхность (поверхность — дефект кристалла, потому что на ней обрывается правильное расположение атомов в кристаллической решётке), растёт плотность линейных дефектов (дислокаций) и концентрация точечных дефектов (вакансий). Измельчение материала изменяет не только полную поверхность, площадь непосредственного контакта между зёрнами, но и позволяет сблизить массы реагирующих компонентов. Все эти факторы увеличивают скорость реакции.

Продукты твердофазных реакций бывают различного агрегатного состояния: если продукт твёрдый, то он покрывает зёрна одного из компонентов. Обычно это зёрна компонента термодинамически устойчивого, имеющего меньшее давление пара. Таким образом, поверхность зёрен каждого реагента обнажена и доступна действию другого реагента только в первый момент реакции. Образующийся слой продукта реакции обладает определённым диффузионным сопротивлением и препятствует проникновению второго компонента в зону реакции. Диффузионное торможение реакции этим слоем зависит от его свойств. Если продукт реакции имеет меньший мольный объём, чем не прореагировавший реагент, зёрна которого он покрывает, то слой образуется рыхлый, пористый и не оказывает существенного сопротивления диффузии. Если объём продукта больше объёма реагента, то слой образуется плотный, диффузия затрудняется, и скорость реакции падает. Если разница между мольными объёмами реагента и продукта более 15%, то продукт может отслоиться и образоваться пористость.

В настоящей работе для проведения синтеза готовили образцы смесей, навески компонентов которых рассчитывали по формулам: где Ха и Хь — мольные доли компонентовМа и Мь — молекулярные веса компонентов, А и В.

Образцы для исследования готовили через 10 или 2 моль.%. Приготовленные смеси тщательно перетирали в агатовой ступке с добавлением небольшого количества этилового спирта для получения большей гомогенности смесей и прессовали в таблетки диаметром 8 мм и толщиной Змм, непрерывно отжигали при 950 °C в течении 100 часов, затем закаливали в жидкий азот.

2.1.2 Метод рентгенофазового анализа.

Целью рентгенофазового анализа является идентификация вещества в смеси по набору его межплоскостных расстояний (с!) и относительным интенсивностям (1/10) соответствующих линий на рентгенограмме.

Рентгеновские лучи — один из видов электромагнитного излучения, о длина волны которого составляет ~ 1 А. Они возникают под действием бомбардировки материала анода рентгеновской трубки заряженными частицами высокой энергии, например электронами, ускоренными большой разностью потенциалов. Энергия первичных электронов достаточна для выбивания 1 Б-электронов (К-оболочка) меди (анода). Электроны с внешних орбиталей немедленно переходят на освободившиеся внутренние^{-уровни.} Выделяющаяся при этом энергия испускается в виде рентгеновского излучения. Возникает сплошной (или белый) спектр испускания рентгеновских лучей. Он простирается от некоторой минимальной длины волны А, т! п, которой соответствует наивысшая энергия излучения, в сторону увеличения длин волн. Дифракционной решёткой для рентгеновского излучения служит кристаллическая решётка вещества [97, 98].

Исследования проводились на дифрактометрах «БЫтаЛги» Х1Ш 6000 с медным излучением (графитовый изогнутый монохроматор, непрерывный режим съемки — 1 град/мин, величина шага 0,02° в интервале углов 20 10−80°, без вращения образца) и DRON 3 с кобальтовым излучением. Для снятия рентгенограмм смеси тщательно растирали в порошок и помещали в кювету. Оценка интенсивности линий на полученных рентгенограммах проводилась по стобалльной шкале.

Для расчёта параметров решётки использовали программу МНК.

2.1.3. Энергодисперсионный рентгеновский анализ (EDAX).

Контроль элементного состава экспериментальных образцов осуществлялся методом энергодисперсионного рентгеновского анализа (EDAX). Суть метода заключается в возбуждении потоком электронов большой энергии характеристического рентгеновского излучения входящими в состав образца химическими элементами и анализе спектра характеристического рентгеновского излучения образца. Анализ осуществлялся на электронном микроскопе Quanta 200 3D с Si (Li) детектором характеристического рентгеновского излучения, с разрешением -150 эВ. Анализ элементного состава осуществлялся с использованием таблиц поправок по системе ZAF.

2.1.4. Методы термического анализа.

Широкое распространение методов термического анализа (ТА), в частности, дифферециального термического анализа (ДТА) и дифференциально сканирующей калориметрии (ДСК) во многих отраслях естественнонаучных исследований и в различных отраслях промышленности обусловлено прежде всего высокой информативностью методов ТА и их экспрессностью.

Методы термического анализа основаны на сравнении термических свойств образца исследуемого вещества и термически инертного вещества, принятого в качестве эталона. Регистрируемым параметром служит разность их температур, измеряемая при нагревании или охлаждении образца с постоянной скоростью, которая может быть представлена в виде функции температуры образца, эталона или нагревателя.

Изменения температуры образца вызываются фазовыми переходами или химическими реакциями, связанными с изменением энтальпии. К ним относятся: фазовые переходы, плавление, перестройка кристаллической структурыкипение, возгонка и испарениереакции дегидратации, диссоциации и разложенияокисления и восстановленияразрушения кристаллической решетки и др. Эти превращения сопровождаются поглощением или выделением тепла. В общем случае фазовые переходы, дегидратация, восстановление и некоторые реакции разложения сопровождаются эндотермическими эффектами, а кристаллизация, окисление и отдельные процессы разложения — экзотермическими эффектами. По положению пиков на шкале температур, их числу и форме производится качественная идентификация вещества, а площади пиков, пропорциональные энтальпиям реакций, используются для количественной оценки, например, прореагировавших веществ или для термохимических определений[99].

Дифференциальный термический анализ.

Дифференциальный термический анализ (ДТА) проводили на дериватографе Q-1500 D (F. Paulik, J. Paulik, L. ErdeyMOM, Венгрия). Навески образцов составляли 120−1-250 мг (погрешность взвешивания ± 0,4 мг). Температуру измеряли термопарой платина-платинородий (ПП-1) с погрешностью ± 2° С в интервале температур от 20 до 1000 °C.

Диффернециальная сканирующая калориметрия.

Измерения были выполнены на термоанализаторе NETZSCH STA-449C в токе инертного газа (аргон — скорость 20 мл/мин, интервал температур 25−1200°С). В качестве основного измерительного элемента в приборе был использован константановый диск, который одновременно обеспечивает необходимую теплопроводность между оболочкой калориметра и образцом и является чувствительным элементом хромель-константановой термопары.

Навески образцов составляли 200−300 мг (погрешность взвешивания ± 0,2 мг).

2.1.5. Колебательная спектроскопия.

Инфракрасная спектроскопия — это один из наиболее плодотворных современных физических методов исследования строения молекул [100]. Спектроскопическое исследование твёрдых тел хорошо дополняет результаты дифракционного (рентгеновского) исследования. Если дифракционные методы позволяют получать информацию о дальнем порядке в веществе, то спектральные методы в основном предназначены для изучения ближнего порядка, т. е. они могут быть использованы для определения координационных чисел атомов, симметрии молекул, изменений в ближайшем окружении атомов (например, связанных с возникновением точечных дефектов или присутствием примесных атомов).

Атомы в твёрдых телах колеблются с частотой 10−10″ Гц. Колебательные моды пар или групп связанных между собой атомов могут быть возбуждены и переведены в более высокоэнергетические состояния путём поглощения. излучения соответствующей частоты. ИК-спектры представляют собой графики зависимостей интенсивности поглощённого излучения от частоты или волнового числа. В ИК-спектроскопии варьируют частоты излучения и получают данные по интенсивности проходящих и поглощённых лучей.

ИК-спектры твёрдых тел имеют весьма сложный вид с множеством линий, каждая из которых отвечает определённому колебательному переходу. ИК-спектры применяются в первую очередь для идентификации функциональных групп, чаще всего в молекулах органических соединений. Помимо этого ИК-спектроскопия используется для получения структурной информации. В ИК-спектрах неорганических веществ интенсивные полосы отвечают колебаниям группировок с ковалентным типом связи (таких, как оксо — анионы), которые обычно располагаются в области частот выше 300 см" 1.

Методы ИК-спектроскопии можно использовать для решения многих проблем химии твёрдого тела. Это имеет значение, поскольку часто рентгенографические методы (особенно рентгеновские методы определения параметров кристаллической решётки) не чувствительны к малым изменениям состава соединения.

ИК — спектры поглощения фосфатов могут быть интерпретированы по о частотам колебаний «свободного» иона. Тетраэдрический анион РО4 «должен давать в рассматриваемой спектральной области две полосы, отвечающие трижды вырожденным валентным (в области 950 — 1100 см» 1) и деформационным (~ 500 см" 1) колебаниям. Все зарегистрированные в ходе настоящей работы спектры содержат полосы поглощения в указанных областях [100].

ИК-спектры экспериментальных образцов были записаны на спектрометре Вгикег ЕС)-55 в диапазоне 400−4000 см" 1 в виде таблеток с КВг и в диапазоне 200−1300 см" 1 с вазелиновым маслом.

Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) — спектральный метод изучения вещества, основанный на явлении комбинационного (рамановского) рассеяния монохроматического света.

Суть метода заключается в регистрации спектральных линий излучения, рассеянного образцом (в твердой, жидкой или газообразной фазе). Эти спектральные линии, отсутствующие в спектре первичного (возбуждающего) излучения, соответствуют определенным колебаниям групп атомов. Это позволяет определить наличие определенных функциональных групп по характеристическим частотам колебаний их фрагментов.

При комбинационном рассеянии свет и вещество обмениваются энергией. В результате, частота рассеянного света может, как уменьшаться (при этом энергия переходит от света к веществу — это Стоксово рассеяние), так и увеличиваться (при этом энергия переходит от вещества к свету — это Анти-Стоксово рассеяние).

В отличие от ИК спектра, в котором проявляются линии,. отвечающие колебательным переходам с изменением дипольного момента, в спектре КР проявляются линии, отвечающие колебательным переходам с изменением поляризуемости молекулы. Такимобразом, ИК и КР являются не исключающими, а. взаимно дополняющими спектрометрическими методами.

КР-спектры, были зарегистрированы на: многоканальном спектрометре с тройным монохроматором и CDD — камерой (детектором) Prinston: Instrument, охлаждаемой жидким азотом. Максимальное количество штрихов решётки 1200 штр./мм. Возбуждение спектра проводили линией аргонового лазера 5145 А мощностью-10 мВтгеометрия рассеяния — на отражение под углом 45° к поверхности^ образцаспектральная линия щели Юмкм.

2.1.6. Измерение ионной проводимости.

В настоящее: времялитиевые соединения привлекают внимание' исследователей в качестве ионных проводников, проводимость которых осуществляется за счет катионов лития и является практически чисто ионной (числа переноса по литию составляют ~, 1). Одним из семейств, привлекающих внимание исследователейявляетсясемейство соединений^ ШзМ2(Р04)з (М — Sc, Fe, In, Сг). Первые сложности при попытке измерения величины удельнойпроводимости: таких соединений связаны с тем, что образцы, на. которых осуществляется измерение проводимости, являются поликристаллическими. Таким образом, в измеряемую величину сопротивления образца включена проводимость границ зерен, которая также: имеет сложное температурное поведение и затрудняет расчет, истинной: — статической объемной проводимости соединения^ Для устранения подобных, принципиальных трудностей логично получать данные соединения в виде монокристаллов. Однако, не смотряна активныйинтерес к литиевым проводникам, к настоящему времени существует мало работ, выполненных на монокристаллических образцах. [101]. В данной работе не ставилась цель исследования особенностей именно точного определения величины ионной проводимости и выявления особенностей проводимости при повышенных 45 температурах, поэтому были проведены оценки величины истинной объемной статической проводимости соединений.

В настоящее время для исследования ионной проводимости широко применяется метод импедансной спектроскопии [33]. Суть метода состоит в наложении на образец, представляющий собой фактически электрохимическую ячейку, переменного потенциала и=иоехр (]ю1:) и в измерении протекающего через неё тока 1=Гоехр (](со1+ф)) (в приведённых уравнениях 11о и 10- амплитуды потенциала и тока соответственно, мнимая единица, со=2л:1*- угловая частота, частота, сругол сдвига фазы тока относительно напряжения). Полное комплексное сопротивление (импеданс).

Z ячейки определяется в соответствии с обобщённым законом Ома: ' ?'.

2=и/1=(ио/1о)ехр (^ф)=2со8ф^8Шф=2 -]Ъ ч" где Ъ кЪ — действительная и мнимая части импеданса.

При измерениях проводимости на импедансметре задаваемыми величинами являются амплитуда напряжения и частота, измеряемыми величинами — амплитуда напряжения, сила тока и угол сдвига фазы между током и напряжением, что позволяет вычислять импеданс по приведенной выше формуле. Это обычно осуществляется автоматически: показания выдаются импедансметром в виде наборов данных либо —Ъ).

Подобный метод аппаратно может быть реализован в различных вариашах. В данной работе применяли ЛЬС — метр НЮК1 3532−50. Измерения проводились в диапазоне частот 42 — 106 Гц, в атмосфере окружающей среды. Нагрев и стабилизация температуры осуществлялись установкой №)Уо1егт-НТ 1200 с точностью ±0.1 °С. Время стабилизации температуры до проведения измерения составляло около 10 часов для исключения влияния кинетических процессов. Измерения были также проведены на импеданс-метре 1ч1оуосоп1-го1 ВЕТА-Ы в интервале частот от 0,1 Гц до 3 МГц и на мостах переменного тока Р5083 и Е7−12. Для измерений использовали кварцевую ячейку с платиновыми электродами, нанесение которых осуществлялось последовательно с сушкой и вжиганием каждого слоя при 850−1000К. Образцы для исследований получали по керамической технологии в виде таблеток толщиной около 1 мм и диаметром 8−10 мм. Все измерения проводили в интервале температур 20−350°С, обычно используемой для характеристики проводников по ионам щелочных металлов.

Существует несколько подходов к анализу данных, полученных методом импедансной спектроскопии. Из них можно выделить два наиболее используемых:

1. Аппроксимация иммитанса различными функциями По частотным зависимостям комплексного сопротивления экспериментальных образцов или комплексной проводимости (годографов, рис. 13) определяли величину активного сопротивления (И^сХ, а затем из этих значений отдельно вычисляли удельную электропроводность по формуле: с1 где 6 — толщина образца (см), Кс1с— объёмное сопротивление образца (Ом), 8 — площадь контакта электродов (см2).

Рисунок 13 — Годограф.

Далее выполняли построение температурных зависимостей проводимости. Для наглядности использовали логарифмическую шкалу.

Так как ниже будет анализироваться температурное поведение проводимости, то удобнее будет ввести понятии адмиттанса, который представляет собой комплексную проводимость, т. е. величину, обратную комплексному сопротивлению. Пересчет импеданса в адмиттанс производится по формулам:

1 7' 7″ .

Y* = — = —г^-т + 1—г1-T = Y' + iY" .

V Z'2+Z" 2 Z'2+Z" 2.

Хорошо известно, что экспериментально измеряемый адмиттанс Y*(o) состоит из объемного адмиттанса Y*(co)b, вклада межзеренных границ.

Y*(co)g, границы раздела электрод-электролит Y*(co)e и поверхности образца.

Y*(cu)s (рис.13). Таким образом, анализ частотных зависимостей Y*(co) позволяет нам разделить эти вклады и исследовать их поведение под влиянием различных факторов.

Нормированный комплексный адмиттанс определяется как:

Y* = Y' + /Y" = G{co) — + icoC{co) —.

S S где со = 2nf — угловая частота, величины G и С — экспериментально измеряемые проводимость и емкость образца, соответственно, d и Sтолщина образца и площадь электродов.

В общем случае, частотная зависимость экспериментального адмиттанса выражается уравнением:

Y = Gdc + /е «EOG) + Q (z'co)n = Ode + Qcos (/m/2)(on + z’c ooS0co + /Qsin («7c/2)co» где adc — объемная статическая проводимость, 8oo — высокочастотная диэлектрическая проницаемость, s0 — диэлектрическая проницаемость вакуума, Q — модуль комплексной проводимости на переменном токе, ппоказатель степени. Параметры GdC5 8OT, Q и п — частотно независимы. Переменная Q (io))n — сложная функция, куда входит комплексная объемная проводимость на переменном токе а*ас (со) и слагаемые Y (со)с, Y (co)g, Y (co)s.

Таким образом, частотные и температурные зависимости экспериментального адмиттанса Y (ю) очень сложно анализировать. В результате этого, предпочтительно представление Y*(co) в шкале log-log, т.к. степенной закон частотного отклика наиболее чувствителен при определении параметров при представлении в такой форме. Также такой подход к анализу требует большого объема экспериментальной работы. Например, анализ изменения вида импеданса при изменении пористости керамики позволят оценить вклад границ зерен в общий измеряемый импеданс и т. д. Таким образом, варьирование различных параметров и применение метода сравнительного анализа позволяет получать информацию о входящих в полный адмиттанс компонент и их температурном поведении.

2. Применение аппарата эквивалентных электрических схем (ЭЭС).

В данном подходе образец, представляющий собой реальную электрохимическую ячейку, заменяется набором сосредоточенных электрических элементов, таких как сопротивление R и емкость С: R э.

Однако эквивалентные электрические схемы замещения редко описывают реальные электрохимические процессы, происходящие в ячейке, поэтому вводятся элементы учитывающие диффузию и др. В настоящей работе использовался элемент постоянной фазы Р* = 0(7со)п. Р* элемент характеризуется двумя параметрами — О и п. Параметр пбезразмерный и может варьироваться в пределах от 0 до 1. При п=1 и п=0 Р* элемент в этих случаях соответствует конденсатору и резистору. При 0<п<1 Р* элемент является «промежуточным» между резистором и конденсаторомпараметр п характеризует степень отклонения от этих элементов. При значениях п, близких к 1, Р* элемент можно рассматривать, как конденсатор, «осложнённый» протекающими в нём различными физико-химическими процессами, что часто имеет место в твёрдых электролитах. Сложность процессов, которым в твёрдом электролите соответствует Р* элемент, делает невозможным определение истинного физического смысла параметра Р. В настоящей работе не ставилась задача точного определения истинной объемной статической проводимости, а в некоторых случаях это и невозможно было сделать. Поэтому для оценок величины проводимости «и оценок поведения как статической, так и межзеренной проводимости и сопротивления границ электрод-образец использовались оба подхода.

2.1.7. Метод хронопотенциометрии (гальваностатическое цикпирование).

Метод хронопотенциометрии был использован с целью определения начальных электрохимических характеристик по внедрению и экстракции лития. Гальваностатические зарядно-разрядные кривые были зарегистрированы с использованием трехэлектродной электрохимической ячейки (рис. 14) на многоканальной компьютеризированной установке для циклирования (ООО «Бустер», Санкт-Петербург). Активная масса для электродов была изготовлена по стандартной технологии, используемой для изготовления активных масс положительных и отрицательных электродов литий-ионного аккумулятора. Активная масса содержала 85% исследуемого сложного фосфата, 10% ацетиленовой сажи для повышения электронной проводимости и 5% связующего (поливиниледендифторид), растворенного в 1Ч-метилпирролироде. В качестве токоподвода использовали никелевую сетку. После нанесения активной массы на токоподвод, электроды сушили в сушильном шкафу при 80 °C до постоянного веса, затем прессовали.

•-у давлением 1000 кг/см". Окончательную сушку электродов проводили под вакуумом при температуре 120 °C в течение 8 часов.

Рисунок 14 — Схема ячейки: 1 — корпус- 2 — вкладыш- 3 — резиновая прокладка- 4 — крышка- 5 — винтовая пробка- 6 — рабочий электрод- 7 -электрод сравнения- 8 — сепаратор- 9 — противоэлектроды.

Сборку герметичных трехэлектродных ячеек проводили в боксе с атмосферой сухого аргона. В качестве вспомогательного электрода и электрода сравнения использовали металлический литий, накатанный на токопровод из никелевой сетки. В качестве электролита использовали 1 М иСЮ4 в смеси пропиленкарбонат (ПК) — диметоксиэтан (ДМЭ) (в соотношении 7:3). Содержание воды в электролите не превышало 50 ррт.

Тестирование электродов проводили в гальваностатическом режиме при плотности тока около 10 мА/г.

2.2. Фазообразование в бинарных системах Ы (Ма)3Р04 — 1пР04.

В качестве исходных веществ для изучения бинарных систем использовали ортофосфаты лития (квалификация «хч», ТУ — 6−09−0477, умодификация), натрия (получали из кристаллогидрата На3Р04−12Н20, квалификация «ч», ГОСТ 9337, высушиванием при 75—>180°С и последующим прокаливанием при 500 °C в течение 6 ч) и индия. Ортофосфат индия получали керамическим методом из 1п203 (квалификация «хч», ТУ 609−4732) и >Щ4Н2Р04 (квалификация «чда», ГОСТ 3771). Синтез вели в платиновых тиглях при 1000 °C, в течение 100 ч. Затем проводили перекристаллизацию в автоклаве (500°С, давление 200 МПа, 24 ч.), в результате были получены высококачественные микрокристаллы.

Фазообразование в системах Ы3Р04 — 1пР04 и Ыа3Р04 — 1пР04 изучено методом рентгенофазового анализа. Образцы для исследования готовили через 2−10 мол.%, прессовали в таблетки диаметром 8 мм, толщиной —1,5 мм, непрерывно отжигали при 950 °C в течение 100 час (система 1л3Р04 — 1пР04) или при 800, 900 и 1000 °C в течение 200 час (система Ыа3Р04 — 1пР04), затем закаливали в жидкий азот.

В системе Ы3Р04−1пР04 установлено образование сложного фосфата Ы31п (Р04)2 и твердого раствора на основе соединения 1Л31п2(Р04)3 (пр.гр. Юс) (рис.15).

1л31п (Р04)2.

ЬЬп-тДп (Р04Ь.

1=950°С.

0,67< х <0,8 шмш тт.

О О О О о о ш 1111 о о.

Ь13Р04.

50 67.

80 моль.% 1пР04.

1пР04.

Рисунок 15 — Фазовая диаграмма бинарной системы 1л3Р04−1п3Р04.

Рентгенограммы основных фаз в системе 1лзР04−1пР04 представлены на рисунке 16.

Рисунок 16 — Рентгенограммы основных фаз в системе Ы3Р04−1пР04 (* - и3Р04АП31п (Р04)2,о — и3(,.х)1п2+х (Р04)з (0,67<х <0,8)).

Соединение 1л31п (Р04)2 получено впервые. В интервале 50±2 мол.% 1пР04 области гомогенности у соединения не обнаружено. Рентгенограмма сложного фосфата 1л31п (Р04)2 (рис. 16) была проиндицирована в моноклинной сингонии, используя программу ОЮУОЬ. Результаты приведены в таблице 3.