1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Электрохимия
  4. T. 59, № 8, 2023

Электрохимия, 2023, T. 59, № 8, стр. 465-473

Влияние механоактивации на структуру и электропроводность в системе KNO3–Al2O3

М. А. Ахмедов a, b, *, М. М. Гафуров a, К. Ш. Рабаданов a, **, М. Б. Атаев a, А. М. Амиров a, З. Ю. Кубатаев a, М. Г. Какагасанов a

a Аналитический центр коллективного пользования Института физики имени Х.И. Амирханова ДФИЦ РАН
Махачкала, Россия

b Общество с ограниченной ответственностью “ДАГЛИТИЙ”
Махачкала, Россия

* E-mail: ama.mag@mail.ru
** E-mail: rksh83@mail.ru

Поступила в редакцию 09.08.2022
После доработки 12.01.2023
Принята к публикации 01.02.2023

Аннотация

В настоящей работе исследовано влияние механоактивации на структуру и электропроводность композита KNO3–Al2O3. На основе анализа кривых ДСК, измеренных в процессе нагрева и охлаждения образца, установлено, что энтальпия фазовых переходов с увеличением времени механоактивации композита 0.5KNO3–0.5Al2O3 уменьшается. Методом рентгенофазового анализа обнаружено, что механоактивация приводит к уменьшению размерности зерен и увеличению дефектности. На основе данных спектроскопии электрохимического импеданса определено, что для системы KNO3–Al2O3, подвергнутой механоактивации, значения удельной ионной проводимости 3.8 × 10–5 См/см при T = 373 К и 2 × 10–3 См/см при T = 473 К и энергии активации 0.19 эВ сопоставимы c параметрами композита этого же химического состава, полученного по керамической методике. Методом КРС-спектроскопии обнаружено образование метастабильной γ-фазы KNO3 в системе KNO3–Al2O3 при температуре более 397 К. Предложено, что увеличение электропроводности в композите KNO3–Al2O3 при 373–403 К связано с наличием в композите дополнительной метастабильной γ-фазы KNO3.

Ключевые слова: композит, КРС-спектроскопия, механоактивация, нитрат калия, оксид алюминия, электропроводность, энергия активации

Список литературы

  1. Aziam, H., Larhrib, B., Hakim, Ch., Sabi, Youcefa, H.B., and Saadounec, I., Solid-state electrolytes for beyond lithium-ion batteries: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2022, vol. 167, p. 112694. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112694

  2. Gafurov, M.M. and Rabadanov, K.Sh., High-temperature vibrational spectroscopy of molten electrolytes, Appl. Spectroscopy Rev., 2022, vol. 57, p. 2048305. https://doi.org/10.1080/05704928.2022.2048305

  3. Hu, Q., Sun, Zh., Nie, L., Chen Sh., Yu, J., and Liu, W., High-safety composite solid electrolyte based on inorganic matrix for solid-state lithium-metal batteries, Materialstoday Energy, 2022, vol. 27, p. 101052. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2022.101052

  4. Dirican, M., Yan, C., Zhu, P., and Zhang, X., Composite solid electrolytes for all-solid-state lithium batteries, Mater. Sci. and Engineering: R: Reports, 2019, vol. 136, p. 27. https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.10.004

  5. Liu, J., Zhang, D., Xu, X., Qin, Y., Ji, S., Huo, Y., Wang, Zh., Liu, Zh., and Shen, J., Recent progress of organic-inorganic composite solid electrolytes for all-solid-state lithium batteries, Chemistry – A Europ. J., 2019, vol. 26(8), p. 04461. https://doi.org/10.1002/chem.201904461

  6. Uvarov, Nikolai F., Ulihin, Artem S., and Mateyshina, Yulia G., Nanocomposite alkali-ion solid electrolytes, Advanced Nanomaterials for Catalysis and Energy, 2022, p. 393–434. https://doi.org/10.1039/D2CP01837C

  7. Cheng, Z., Liu, T., Zhao, B., Shen, F., Jin, H., and Han, X., (2020). Recent advances in organic-inorganic composite solid electrolytes for all-solid-state lithium batteries, Energy Storage Mater., 2021, vol. 34, p. 388. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.09.016

  8. Улихин, А.С., Новожилов, Д.В., Хуснутдинов, В.Р., Синельникова, Ю.Е., Уваров, Н.Ф. Ионная проводимость композитов LiTi2(PO4)3–LiClO4. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 380. [Ulikhin, A.S., Novozhilov, D.V., Khusnutdinov, V.R., Sinelnikova, Yu.E., and Uvarov, N.F., Ionic conductivity of LiTi2(PO4)3–LiClO4 composites, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 580.] https://doi.org/10.1134/S102319352207014X

  9. Chen, A., Qu, C., Shi, Y., and Shi, F., Manufacturing strategies for solid electrolyte in batteries, Frontiers in Energy Research, 2020, vol. 8. p. 571440. https://doi.org/110.3389/fenrg.2020.571440

  10. Famprikis, T., Canepa, P., Dawson, J.A., Saiful, Islam M., and Masquelier, Ch., Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries, Nat. Mater., 2019, vol. 18, p. 1278. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0431-3

  11. Yang, R., Cui, L., and Zheng, Y., The Synthesis of composite particles in molten salts, Mater. Transact., 2006, vol. 47(3), p. 584. https://doi.org/10.2320/matertrans.47.584

  12. Gupta, S.K. and Mao, Y., A review on molten salt synthesis of metal oxide nanomaterials: Status, opportunity, and challenge, and challenge, Progress in Mater. Sci., 2021, vol. 117, p. 100734. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100734

  13. Liu, X., Fechler, N., and Antonietti, M., Salt melt synthesis of ceramics, semiconductors and carbon nanostructures, Chem. Soc. Rev., 2013, vol. 42(21), p. 8237. https://doi.org/10.1039/c3cs60159e

  14. Gonzalo-Juan, I. and Riedel, R., Ceramic synthesis from condensed phases, ChemTexts, 2016, vol. 2, p. 6. https://doi.org/10.1007/s40828-016-0024-6

  15. Lee, W., Lyon, C.K., Seo, J., Lopez-Hallman, R., Leng, Y., Wang, C.-Y., Hickner, M.A., Randall, C.A., and Gomez, E.D., Ceramic–salt composite electrolytes from cold sintering, Advanced Functional Mater., 2019, p. 1807872. https://doi.org/10.1002/adfm.201807872

  16. Leonardi, M., Villacampa, M., and Menéndez, J.C., Multicomponent mechanochemical synthesis, Chem. Sci., 2018, vol. 9(8), p. 2042. https://doi.org/10.1039/c7sc05370c

  17. Uvarov, N.F., Composite solid electrolytes: recent advances and design strategies, J. Solid State Electrochem., 2011, vol. 15(2), p. 367. https://doi.org/10.1007/s10008-008-0739-4

  18. Nimmo, J.K. and Lucas, B.W., A neutron diffraction determination of the crystal structure of γ-phase potassium nitrate at 25°C and 100°C, J. Phys. C: Solid State Phys., 1973, vol. 6, p. 201. https://doi.org/10.1088/0022-3719/6/2/001

  19. Nimmo, J.K. and Lucas, B.W., The crystal structures of γ- and β-KNO3 and the α-γ-β phase transformations, Acta Crystallographica Section B, 1976, vol. B32, p. 1968. https://doi.org/10.1107/S0567740876006894

  20. Poprawski, R., Rysiakiewicz-Pasek, E., Sieradzki, A., Man, A., and Polanska, J., Ferroelectric phase transitions in KNO3 embedded into porous glasses, J. Non-Crystalline Solids, 2007, vol. 353(47-51), p. 4457. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2007.01.086

  21. Атаев, М.Б., Гафуров, М.М., Эмиров, Р.М., Рабаданов, К.Ш., Амиров, А.М. Исследование фазового состава и структуры нанокомпозитов (1 – x)KNO3 + + xAl2O3 методом рентгеновской дифракции. Физика твердого тела. 2016. Т. 58(12). С. 2336. [Ataev, M.B., Gafurov, M.M., Emirov, R.M., Rabadanov, K.Sh., and Amirov, A.M., Phase composition and the structure of (1 – x)KNO3 + xAl2O3 nanocomposites by X-ray diffraction, Physics Solid State, 2016, vol. 58(12), p. 2423.] https://doi.org/10.1134/S1063783416120027

  22. Wolf, S., Alam, N., and Feldmann, C., δ-KNO3: Synthesis and structure of a new modification of potassium nitrate, Z. für Anorganische und Allgemeine Chemie, 2015641(2), p. 383. https://doi.org/10.1002/zaac.201400538

  23. Барышников, С.В., Чарная, Е.В., Милинский, А.Ю., Стукова, Е.В., Тиен, Ч., Болманн, В., Мишель, Д. Диэлектрические свойства смешанных сегнетоэлектриков NaNO2–KNO3 в нанопористых силикатных матрицах. Физика твердого тела. 2009. № 6(51). С. 2439. [Baryshnikov, S.V., Charnaya, E.V., Milinskiy, A.Y., Stukova, E.V., Tien, Ch., Böhlmann, W., and Michel, D., Dielectric properties of mixed NaNO2–KNO3 ferroelectrics in nanoporous silicate matrices, Physics Solid State, 2009, no. 6(51), p. 1172.] https://doi.org/10.1134/S1063783409060262

  24. Sieradzki, A., Komar, J., Rysiakiewicz-Pasek, E., Ciżman, A., and Poprawski, R., Calorimetric investigations of phase transitions in KNO3 embedded into porous glasses, Ferroelectrics, 2010, vol. 402, p. 60. https://doi.org/10.1080/00150191003697393

  25. Набережнов, A.A., Ванина, П.Ю., Сысоева, A.A., Цижман, А., Рысякевич-Пасек, Э., Хозер, А. Влияние ограниченной геометрии на структуру и фазовые переходы в наночастицах нитрата калия. Физика твердого тела. 2018. № 3(60). С. 767. [Naberezhnov, A.A., Vanina, P.Y., Sysoeva, A.A., Ciźman, A., Rysiakiewicz-Pasek, E, and Hoser, A., Effect of Restricted Geometry on the Structure and Phase Transitions in Potassium Nitrate Nanoparticles, Physics Solid State, 2018, no. 3(60), p. 442.] https://doi.org/10.1134/S1063783418030204

  26. Барышников, С.В., Чарная, Е.В., Милинский, А.Ю., Патрушев, Ю.В. Фазовые переходы в KNO3, введенном в поры регулярной наноразмерной пленки МСМ-41. Физика твердого тела. 2013. № 12(55). С. 2439. [Baryshnikov, S.V., Charnaya, E.V., Milinskiy, A.Y., and Patrushev, Y.V., Phase transitions in KNO3 embedded in MCM-41 films with regular nanopores, Physics Solid State, 2013, no. 12(55), p. 2566.]

  27. Милинский, А.Ю., Барышников, С.В., Стукова, Е.В., Чарная, Е.В., Чернечкин, И.А., Ускова, Н.И. Диэлектрические и тепловые свойства KNO3, внедренного в углеродные нанотрубки. Физика твердого тела. 2021. № 6(63). С. 767. [Milinskii, A.Y., Baryshnikov, S.V., Stukova, E.V., Charnaya, E.V., Chernechkin, I.A., and Uskova, N.I., Dielectric and Thermal Properties of KNO3 Encapsulated in Carbon Nanotubes, Physics Solid State, 2021, no. 6(63), p. 872.] https://doi.org/10.1134/S1063783421060147

  28. Lia, X., Zhao, R., Fu, Y., and Manthiramb, A., Nitrate additives for lithium batteries: Mechanisms, applications, and prospects, eScience, 2021, vol. 1(2), p. 108. https://doi.org/10.1016/j.esci.2021.12.006

  29. Jia, W., et al., Extremely accessible potassium nitrate (KNO3) as the highly efficient electrolyte additive in lithium battery, ACS Appl. Mater. & Interfaces, 2016, vol. 8(24), p. 15399. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03897

  30. Hosaka, T., Kubota, K., Kojima, H., and Komaba, S., Highly concentrated electrolyte solutions for 4 V class potassium-ion batteries, Chem. Communications, 2018, vol. 54(60), p. 8387. https://doi.org/10.1039/c8cc04433c

  31. Zhang, X., Meng, J., Wang, X., Xiao, Z., Wu, P., and Mai, L., Comprehensive Insights into electrolytes and solid electrolyte interfaces in potassium-ion batteries, Energy Storage Mater., 2021, vol. 38, p. 30. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.036

  32. Uvarov, N.F., Hairetdinov, E.F., and Skobelev, I.V., Composite solid electrolytes MeNO3–Al2O3 (Me = Li, Na, K), Solid State Ionics, 1996, vol. 86–88, p. 577. https://doi.org/10.1016/0167-2738(96)00208-1

  33. Амиров, А.М., Гафуров, М.М., Рабаданов, К.Ш. Анализ системы KNO3−Al2O3 методом дифференциальной сканирующей калориметрии. Физика твердого тела. 2016. Т. 58(9). С. 1864. [Amirov, A.M., Gafurov, M.M., and Rabadanov, K.Sh., Analysis of the KNO3–Al2O3 System by differential scanning calorimetry, Solid State Physics (in Russian), 2016, vol. 58(9), p. 1930.] https://doi.org/10.1134/S1063783416090067

  34. Amirov, A.M., Suleymanov, S.I., Gafurov, M.M., et al., Study of the MNO3–Al2O3 nanocomposites by differential scanning calorimetry, J. Therm. Anal. Calorim., 2022. https://doi.org/10.1007/s10973-022-11256-0

  35. Gafurov, M.M., Rabadanov, K.S., Ataev, M.B., Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., Shabanov, N.S., Kubataev, Z.Y., and Rabadanova, D.I., Research of the structure and dynamic interactions of particles in the Li0.42K0.58NO3 – R (R = α-Al2O3, γ-Al2O3, SiO2) and (LiNO3–LiClO4) – γ-Al2O3 composites in various temperature conditions and phase states, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2021, vol. 257, p. 119765. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119765

  36. Raju, A., Vennela, A., Mallaiah, Y., Sathish, M., Reddy, S.N., and Sadanandachary, A., Ionic conductivity studies of KNO3:KCl solid composite electrolyte system, Intern. J. Engineering Res. and Appl., 2020, vol. 10(12), p. 48. https://doi.org/10.9790/9622-1012024852

  37. Рабаданов, К.Ш., Гафуров, М.М., Кубатаев, З.Ю., Амиров, А.М., Ахмедов, М.А., Шабанов, Н.С., Атаев, М.Б. Ионная проводимость и колебательные спектры композитов LiNO3–KNO3 + Al2O3. Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 750. [Rabadanov, K.Sh., Gafurov, M.M., Kubataev, Z.Y., Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., Shabanov, N.S., and Ataev, M.B., Ion conductivity and vibrational spectra of LiNO3–KNO3 + Al2O3 composites, Russ. J. Electrochem., 2019, vol. 55, p. 573.] https://doi.org/10.1134/S1023193519060168

  38. Накамото, К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных со-единений (пер. с англ.). М.: Мир, 1991. 536 с. [Nakamoto, K., Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds. Wiley-Interscience, 1991. 536 p.]

  39. Murugan, R., Huang, P.J., Ghule, A., and Chang, H., Studies on thermal hysteresis of KNO3 by thermo-Raman spectroscopy, Thermochim. Acta, 2000, vol. 346, p. 83. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(99)00364-0

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Электрохимия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал