ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ГРАНИЦЕ ТВЕРДЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ СОЕДИНЕНИЯ ВНЕДРЕНИЯ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
2002
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Одним из наиболее быстро развивающихся направлений прикладной электрохимии, тесно связанной с электротехникой, является разработка нетрадиционных химических источников тока (ХИТ), перспективными среди которых являются твердо-электролитные ХИТ с натриевым и литиевым анодами. Применение щелочных металлов в качестве анодных материалов выгодно тем, что они обладают самыми низкими среди других Me - ов электрохимическими эквивалентами и высокими отрицательными значениями электродных потенциалов. По сравнению с неводными шердоэлектролитные электрохимические системы обеспечивают не только упрощение конструкции и технологии изготовления, но и многократное увеличение срока сохранности ХИТ. Область применения циклируемых электрохимических систем на основе твердых электролитов значительно расширяется. Помимо малогабаритных аккумуляторов, на таких системах возможно создание многочисленных приборов: интеграторов, датчиков давления и температуры, электрохромных индикаторов, газоанализаторов и др.
Проблемы, возникающие при разработке и эксплуатации электрохимических систем с твердыми электролитами (ТЭЛ), связаны с малой изученностью процессов на границе ТЭЛ - катод : - это природа повышенного омического сопротивления, меняющегося во времени; объемные эффекты при образовании новых фаз; высокая необратимость процессов фазообразования. Применение в качестве электродных материалов слоистых структур, в частности, соединений внедрения графита, позволяет устранить ряд приведенных негативных явлений и повысить циклируемость систем с тэл.
В связи с изложенным синтез и исследование твердоэлектролитных электрохимических систем с катодами на основе соединений внедрения графита, исследования процессов на фанице электрод - ТЭЛ являются актуальными задачами.
Все данные, представленные в диссертации, получены в соответствии с планами НИР но хозяйственным договорам с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносом и АОЗТ «УНИХИМТЕК» при МГУ, а также в соответствии с Программой, утвержденной Министерством общею и профессиональною образовании Российской Федерации.
Целью настоящей работы
является изучение электрохимических процессов на границе твердый электролит - соединения внедрения (CsCuCh, Cr,FcCb, СМоСЬ. C|ZnCI:, CxLi, дигидроксодигалогенидоцинкаты щелочных металлов) и их оценка.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-изучить природу и обратимость электрохимических процессов на фанице полиалюмината натрия с сульфидами сурьмы и соединениями внедрения графита (C5C11CI2);
-определить разрядные характеристики и перезаряжаемость систем с литийпроводящим ТЭЛ «(L15NJ2), катодами на основе соединений внедрения графита с хлоридами металлов и анодами из лития и CLi, а также синтезировать твердые ионопроводящие соединения на основе дигидроксодигалогенидоцинкатоп щелочных металлов и изучить их электрохимические свойства;
-исследовать возможность использования синтезированного электролита для создания источника тока с традиционными электродными материалами и соединениями внедрения.
Научная новизна работы.
Впервые изучено электрохимическое поведение соединений внедрения графита на основе лития и ряда хлоридов металлов на границе с натрий- и литийпроводящими твердыми электролитами. Установлено, что разряд-заряд электродов из СВГ сопровождается процессами интеркалации деинтеркалации ионопроводящих катионов. Показана возможность создания новых циклируемых систем с твердым электролитом.
Выявлены условия синтеза, впервые получены дигидроксодигалогенидоцинкаты щелочных металлов и изучены их ионопроводящие свойства при комнатных температурах. Проведены исследования электрохимических систем с этими электролитами в сочетании с традиционными электродными материалами и соединениями внедрения графита.
Новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность подтверждены 8 авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая значимость результатов работы
Усовершенствована методик проведения электрохимического эксперимента с ТЭЛ, разработаны и изготовлены новые типы ячеек и более надежные электроды сравнения Показана возможность создания обратимых твердоэлектролитных электрохимических систем, на основе соединений внедрения графита с литием и хлоридами металлов. Сконструирована, изготовлена и апробирована несложная в исполнении высокопроизводительная лабораторная установка для лит ийпроводящего ТЭЛ (Li5NJ2). Полученные результаты могут быть использованы для создания перезаряжаемых ХИТ и электрохимических приборов.
Простота синтеза с использованием недефицитных материалов новых твердофазных ионных проводников на основе комплексов щелочных металлов Me2[Znr2(OH)2] открывает широкие перспективы их практического применения. Проведена эксперимента оценка энергетических возможностей и цихлируемости ряда электрохимических систем с твердым цинкатиым электролитом.
Апробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на: VII Всесоюзной конференции по электрохимии (Черновцы): всесоюзной конференции «Химия и физика соединений внедрения» (Ростов-на-Дону); научно-технической конференции «Современные электрохимические технологии» (Саратов); Всероссийской конференции «Современные проблемы теоретической и экспериментатьной химии» (Саратов); международной конференции «Композит» (Саратов); на ежегодных научно-технических конференциях СП У.
1.Результаты электрохимических исследований сульфидов сурьмы и соединений внедрения графита на фанице с полиалюминатным электролитом.
2.Экспериментальные данные по электрохимическому поведению СВГ» с хлоридами металлов и лигием в контакте с литийпроводящим ТЭЛ – LiN.
3 Метод синтеза и свойства новых твердых электролитов на основе дигид-роксодигалогенидоцинкагов щелочных металлов
4, Данные исследований ряда электрохимических систем с применением новых цинкатных электролитов.
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 4 статьи в центральной печати, 7 тезисов докладов на конференциях, 1 статья депонирована в ВИНИТИ, получено 7 авторских свидетельств и патентов и 1 положительное решение о выдаче патента
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методическою и экспериментальных разделов, общих выводов, библиографии и приложения. Изложена на 300 страницах машинописного текста и включает 11 рисунков, 28 таблиц и список литературы.
Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе дан анализ литературных сведений о механизме ионной проводимости различных типов твердых электролитов, приведены подробные сведения о способах получения, составах и свойствах натрий- и литийпроводящих твердых электролитов. Рассмотрены возможные катодные материалы для твердоэлектролитных систем, сформулированы условия их стабильной работы и электрохимической обратимости. Сделан вывод о перспективности применения в рассматриваемых системах соединений внедрения графита, использование которых в сочетании с ТЭЛ в литературе не описано.
Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследования: хроновольтам - перометрии, хроноиотенциометрии, хроноамперометрии, бестоковой погенциометрии. Даны схемы трехэлектродных электрохимических ячеек, приведены традиционные и новые способы изготовления электродов сравнения для измерений в твердоэлектролитных ячейках. Описаны методики синтеза U5NJ2 и гидроксодигалогенидоцинкатов щелочных металлов и необходимое для синтеза лабораторное оборудование. Для определения состава и температуры разложения твердых электролитов использовали дифференциально-термический анализ. Для идентификации исходных соединений внедрения графита и продуктов их катодного восстановления был гримененрентгенофазовый анализ.
В третьей главе обобщены результаты исследований для электрохимических систем с применением твердоэлектролитных мембран из нолиалюмината натрия. Циклические хроновольтамперограммы систем Na/p-AbOa/KaTOl, где в качестве катодов были исследованы SD2S5 и Sb; Si с добавкой сажи, а также модельные электроды на основе Sb, С, NaSbS2, S+C, позволили выявить, что сурьма и соединения на ее основе катодно восстанавливаются по схеме Sb5'-» Sb' Sb» Sb'». Внедрение ионов натрия в структуру катода и образование соединений типа NaSbS2, NajSbSj экспериментально не подтверждается. Соединения пятивалентной сурьмы восстанавливаются практически необратимо (лабильное циклирование систем возможно лишь в пределах изменения валентности сурьмы от 0 до -3, то есть через образование металлической фазы. Установлена возможность поверхностных реакций на сажевой добавке с участием катионов Na' и внедрение последних в межслоевые пространства графитовых блоков сажи Работа электрода из NaSbS2, по нашим предположениям, на первых циклах определяется присутствием сажевой добавки. Участие серы в катодном процессе по мере циклирования затрудняется из-за образования электрохимически неактивного Na2S. По-видимому, и для других электродов образование этого соединения приводит к дефициту ионов S, что затрудняет переход сурьмы в валентное состояние, с более высоким зарядом. Напротив, соединение NajSb работает обратимо - на это указывает улучшение разрядных характеристик системы Na/p-AI2OVSb после циклирования: повышается разрядное напряжение, расширяется диапазон рабочих токов (ср кривые 5 на рис. 1а и 16). Обобщая результаты, представленные на рис.1, следует отметить, потенциальные возможности сульфидно-сурьмянистых электродов (NaSbS2, SbiSi, Sb2Ss) в виде перезаряжаемых систем реализовать не удается.