Синтез и исследование физико-химических свойств твердых композиционных электролитов (C4H9)3CH3NBF4–Снаноалмазы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе представлены результаты исследований структурных, термических и транспортных свойств твердых композиционных электролитов (1 – x)(C4H9)3CH3NBF4 – xCНА (где СНА – нанодисперсные алмазы, 0 ≤ x < 1, х – мольная доля). Методом Паули показано, что кристаллическая структура низкотемпературной фазы (C4H9)3CH3NBF4 описывается пространственной группой симметрии P42/ncm. Обнаружено, что добавление наноалмазной инертной добавки приводит к увеличению электропроводности композиционного электролита на 4 порядка величины до значения 1.3∙10–3 См/см при 145 оC при x = 0.98. Теоретические зависимости хорошо описывают экспериментальные данные в диапазоне концентраций 0 ≤ x ≤ 0.99 при температурах 84 и 127 оC.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. А. Стебницкий

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: YuliaM@solid.nsc.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Н. Ф. Уваров

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: YuliaM@solid.nsc.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Ю. Г. Матейшина

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН; Новосибирский государственный университет

Email: YuliaM@solid.nsc.ru
Россия, Новосибирск; Новосибирск

Список литературы

  1. Иванов-Шиц, А.К., Мурин, И.В. Ионика твердого тела. Т. 2. СПб: Изд-во СПбГУ, 2010. 1000 с. [Ivanov-Schitz, A.K. and Murin, I.V., Solid state ionics (in Russian), St. Petersburg: S.-Peterburg. Univ, 2010. 1000 p.]
  2. Уваров, Н.Ф. Композиционные твердые электролиты. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2008, 258 с. [Uvarov. N.F., Composite solid electrolytes (in Russian), Novosibirsk: Publ. House SB RAS, 2008. 258 p.]
  3. Zhang, Z., Wang, X., Li, X., Zhao, J., Liu, G., Yu, W., Dong, X., and Wang, J., Review on composite solid electrolytes for solid-state lithium-ion batteries, Mater. Today Sustain, 2023, in press.
  4. Xu, L., Li, J., Shuai, H., Luo, Zh., Wang, B., Fang, S., Zou, G., Hou, H., Peng, H., and Ji, X., Recent advances of composite electrolytes for solid-state Li batteries, J. Energy Chem., 2022, vol. 67, p. 524.
  5. Jian, S., Cao, Y., Feng, W., Yin, G., Zhao, Y., Lai, Y. Zhang, T., Ling, X., Wu, H., Bi, H., and Dong, Y., Recent progress in solid polymer electrolytes with various dimensional fillers: a review, Mater. Today Sustain, 2022, vol. 20, 100224.
  6. Sun, Y-Y., Zhang, Q., Yan, L., Wang, T-B., and Hou, P-Y., A review of interfaces within solid-state electrolytes: fundamentals, issues and advancements, J. Chem. Eng., 2022, vol. 437, part 1, 135179.
  7. Pringle, J.M., Recent progress in the development and use of organic ionic plastic crystal electrolytes, Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, vol. 15, p. 1339.
  8. MacFarlane, D.R. and Forsyth, M., Plastic Crystal Electrolyte Materials: New Perspectives on Solid State Ionics, Adv. Mater., 2001, vol.13, no. 12–13, p. 957.
  9. Sherwood, J.N., The Plastically Crystalline State: Orientationally Disordered Crystals, John Wiley & Sons, Ltd., 1979, p. 416.
  10. Huang, J., Hill, A., Forsyth, M., MacFarlane, D., and Hollenkamp, A., Conduction in ionic organic plastic crystals: The role of defects, Solid State Ion., 2006, vol. 177, p. 2569.
  11. Pringle, J.M., Howlett, P.C., MacFarlane, D.R., and Forsyth, M., Organic ionic plastic crystals: recent advances, J. Mater. Chem., 2010, vol. 20, p. 2056.
  12. MacFarlane, D.R., Huang, J., and Forsyth, M., Lithium-doped plastic crystal electrolytes exhibiting fast ion conduction for secondary batteries, Nature, 1999, vol. 402, p. 792.
  13. Zhou, Zh-B. and Matsumoto, H., Lithium-doped, organic ionic plastic crystal electrolytes exhibiting high ambient-temperature conductivities, Electrochem. Commun., 2007, vol. 9, p. 1017.
  14. Howlett, P.C., Shekibi, Y., MacFarlan, D.R., and Forsyth, M., Li-Metal Symmetrical Cell Studies Using Ionic Organic Plastic Crystal Electrolyte, Adv. Eng. Mater., 2009, vol. 11, no. 12, p. 1044.
  15. Basile, A., Hilder, M., Makhlooghiazad, F., Pozo-Gonzalo, C., MacFarlane, D.R., Howlett, P.C., and Forsyth, M., Ionic Liquids and Organic Ionic Plastic Crystals: Advanced Electrolytes for Safer High Performance Sodium Energy Storage Technologies, Adv. Energy Mater., 2018, vol. 8, 1703491.
  16. Rana, U.A., Forsyth, M., Macfarlane, D.R., and Pringle, J.M., Toward protic ionic liquid and organic ionic plastic crystal electrolytes for fuel cells, Electrochim. Acta, 2012, vol. 84, p. 213.
  17. Luo, J., Jensen, A.H., Brooks, N.B., Sniekers, J., Knipper, M., Aili, D., Li, Q., Vanroy, B., Wübbenhorst, M., et.al., 1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells, Energy Environ. Sci., 2015, vol. 8 (4), p. 1276.
  18. Abouimrane, A., Belharouak, I., and Abu-Lebdeh, Y.A., An all-solid-state electrochemical double-layer capacitor based on a plastic crystal electrolyte, Front. Energy Res., 2015, vol. 3, p. 1.
  19. Uvarov, N.F., Iskakova, A.A., Bulina, N.V., Gerasimov, K.B., Slobodyuk, A.B., and Kavun, V. Ya., Ion Conductivity of the Plastic Phase of the Organic Salt [(C4H9)4N]BF4, Russ. J. Electrochem., 2015, vol. 51, p. 491.
  20. Uvarov, N.F., Ulihin, A.S., and Mateyshina, Yu. G., Advanced Nanomaterials for Catalysis and Energy Synthesis, Characterization and Applications, in A volume in Advanced Nanomaterials, Vladislav A. Sadykov Ed., Amsterdam: Elsevier Science Ltd., 2019, p. 587.
  21. Maier, J., Ionic conduction in space charge regions, Prog. Solid State Chem., 1995, vol. 23, p. 171–263.
  22. Shekibi, Y., Gray-Weale, A., MacFarlane, D.R., Hill, A.J., and Forsyth, M., Nanoparticle Enhanced Conductivity in Organic Ionic Plastic Crystals: Space Charge versus Strain Induced Defect Mechanism, J. Phys. Chem. C, 2007, vol. 111, p.11463.
  23. Ulihin, A.S., Uvarov, N.F., Rabadanov, K. Sh., Gafurov, M.M., and Gerasimov, K.B., Thermal, structural and transport properties of composite solid electrolytes (1 – x) (C4H9)4NBF4–xAl2O3, Solid State Ion., 2022, vol. 378, 115889.
  24. Adebahr, J., Ciccosillo, N., Shekibi, Y., MacFarlane, D.R., Hill, A.J., and Forsyth, M., The “filler-effect” in organic ionic plastic crystals: Enhanced conductivity by the addition of nano-sized TiO2, Solid State Ion., 2006, vol. 177, iss. 9–10, p. 827.
  25. Ulikhin, A.S., Uvarov, N.F., Gerasimov, K.B., Iskakova, A.A., and Mateishina, Yu.G., Physicochemical Properties of (CH3)2NH2Cl–Al2O3 Composites, Russ. J. Electrochem., 2017, vol. 53, p. 834.
  26. Mateyshina, Y.G., Alekseev, D.V., and Uvarov, N.F., Ionic Transport in CsNO2-Based Nanocomposites with Inclusions of Surface Functionalized Nanodiamonds, Nanomaterials, 2021, vol. 11, p. 414.
  27. Alekseev, D.V., Mateyshina, Yu.G., and Uvarov, N.F., Transport Properties of LiClO4 –Nanodiamond Composites, Russ. J. Electrochem., 2021, vol. 57, p. 1037.
  28. Mateyshina, Yu., Alekseev, D., and Uvarov, N., The effect of the nanodiamonds additive on ionic conductivity of silver iodide, Mater. Today: Proc., 2020, p. 373.
  29. Alekseev, D.V., Mateyshina, Yu.G., and Uvarov, N.F., Effect of Nanodiamond Additives on the Ionic Conductivity of the (C2H5)3CH3NBF4 Organic Salt, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, no. 7, p. 594.
  30. Pawley, G.S., Unit-cell refinement from powder diffraction scans, J. Appl. Crystallogr., 1981, vol. 14, p. 357.
  31. https://abcr.com/ru_en/ab333813
  32. Uvarov, N.F. and Boldyrev, V.V., Size effects in chemistry of heterogeneous systems, Russ. Chem. Rev., 2001, vol. 70, p. 265.
  33. Uvarov, N.F., Vanek, P., Yuzyuk, Yu.I., Zelezny, V., Studnicka, V., Bokhonov, B.B., Dulepov, V.E., and Petzelt, J., Properties of rubidium nitrate in ion-conducting RbNO3-Al2O3 nanocomposites, Solid State Ion., 1996, vol. 90, p. 201.
  34. Uvarov, N.F., Composite solid electrolytes: recent advances and design strategies, J. Solid State Electrochem., 2011, vol.15, p. 367.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Данные рентгенофазового анализа для композитов (1 - x) (C4H9)3CH3NBF4 – xCНА. На правом рисунке приведен участок дифрактограммы в области углов 35 < 2θ < 50 град, в которой присутствует рефлекс, относящийся к наноалмазам.

Скачать (139KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кривые ДСК для композитов (1-x) (C4H9)3CH3NBF4 – xCНА, полученных при первом (а) и втором (б) нагреве.

Скачать (140KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментальные значения энтальпии плавления тетрафторобората трибутилметиламмония в композитах (1– x) (C4H9)3CH3NBF4 – xCНА (символы) в сравнении с ожидаемой для механической смеси соль + наноалмазы (линия) в зависимости от мольной (а) и объемной (б) доли наноалмазов.

Скачать (106KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Годографы импеданса композитов 0.01(C4H9)3CH3NBF4 – 0.99CНА, измеренные при температурах 100 и 152 °С. Эквивалентная схема, используемая для интерпретации данных, где Rb – объемное сопротивление образца, CPEb и CPEe – элементы постоянной фазы, описывающие геометрическую емкость образца и электродный импеданс, соответственно (б).

Скачать (94KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Температурная зависимость проводимости композитов (1 – x) (C4H9)3CH3NBF4 – xCНА (x – мольная доля CНА) (а) и зависимость удельной проводимости композитов (1 – х)(C4H9)3CH3NBF4 – xCНА в зависимости от концентрации наноалмазов СНА в композитах при температурах 90 и 130 oС (б).

Скачать (165KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Экспериментальная (точки) и теоретическая (сплошная линия) концентрационные зависимости удельной проводимости композитов (1 – х) (C4H9)3CH3NBF4 – xCНА от мольной доли (а) и объемной доли (б) наноалмазов для температур 84 и 127 oС.

Скачать (123KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024