Исследование твердых электролитов

Рис.7. "Окно проводимости" в Li0.255La0.582TiO3 - наиболее узкий участок канала проводимости (выделен красным цветом) для перескока иона лития из одной позиции в другую (соседнюю).

Получить новые структурные матрицы с ажурной структурой, пригодной для заполнения "ионным расплавом", не так просто, поэтому ученые обращаются за помощью к природе и исследуют известные минералы, создавая искусственные кристаллические матрицы на их основе. Так были найдены катионные проводники в семействе сложных оксидов (-глинозем), силикатов (цирконосиликаты - насикон, лисикон, алюмосиликаты - сподумен, эвкриптит), фторионные проводники на основе флюорита. Наше внимание привлек силикат натрия-титана - натисит Na2TiSiO5. В его структуре между слоями, составленными Ti-полуоктаэдрами и Si-тетраэдрами (рис.2), можно увидеть "прослойки" из катионов натрия, что позволяло надеяться на достаточно высокую подвижность щелочных ионов. Нам удалось синтезировать и изучить электрические свойства массивных монокристаллов двух членов семейства A2TiGeO5 со структурой типа натисита: Na2TiGeO5 и Li2TiGeO5. Ярко выраженный слоистый характер кристаллической структуры этих соединений обусловливает высокую спайность в направлении, перпендикулярном оси с, и объясняет высокую анизотропию проводимости: отношение проводимостей в направлениях, параллельном и перпендикулярном слоям, достигает 104 (рис.8).

Рис.8. Температурные зависимости проводимости кристаллов Na2TiGeO5 и Li2TiGeO5 вдоль осей a и c.

Подвижными в кристаллах могут быть не только катионы, но и анионы, например фтора в нестехиометрических фазах М1–xRxF2+x со структурой флюорита (М=Ва, Sr, Ca; R=La-Lu,Y). Здесь надо отметить, что электропроводность чистых и слаболегированных дифторидов MF2 со структурой флюорита не очень велика и не превышает 10–6-10–5 Ом–1·см–1 при 500-600 К. Твердые растворы на основе МF2 с большой концентрацией примеси, являясь однофазными, имеют переменный состав и повышенную концентрацию анионов фтора. Ионный перенос трактуется в рамках предложенной нами модели дефектных областей, характеристики которых зависят как от типа катиона матрицы, так и от сорта ионов R3+, изоморфно замещающих ионы М2+ в матрице. В ядре дефектной области располагаются редкоземельные ионы и "замороженные" комплексообразованием атомы фтора в виде кластеров различного типа, а в периферийной части, т.е. прилегающей к ядру искаженной флюоритовой матрице, могут находиться слабо связанные, а потому подвижные анионы фтора, которые и переносят ток. Поэтому характеристики ионного переноса в сильнонестехиометрических фазах определяются главным образом атомным строением дефектных областей, так как подвижность междоузельных анионов F– зависит от типа катиона матрицы (Ca2+, Sr2+, Ba2+) и сорта редкоземельных ионов R3+. Совместный анализ электрофизических и структурных характеристик нестехиометрических фаз позволил предложить конкретный механизм ионного переноса, связанный со строением ядер дефектных областей.

Монокристаллы твердых электролитов хороши и необходимы как объекты для выяснения фундаментальных аспектов быстрого ионного переноса в твердых телах. Так выбираются оптимальные материалы, которые находят практическое применение уже в виде поликристаллов (керамика, порошки, покрытия).

Поликристаллические образцы обычно изготавливают классическим методом твердофазных реакций, который обладает рядом существенных недостатков: сложно получить полностью однофазные продукты из-за плохой гомогенизации исходных реагентов, нужна высокая температура отжига, синтез длителен и трудоемок. К одним из лучших литийпроводящих материалов относятся соединения семейства сложных литиевых фосфатов Li3M2(PO4)3, характеризующиеся (для монокристаллов и стандартной керамики) рабочими температурами выше 300°С. Чтобы понизить эти температуры, мы попытались приготовить сложные фосфаты в наноструктурном виде. Нанопорошки Li3M2(PO4)3 были синтезированы путем пиролиза ультрадисперсных растворов (рис.9), в котором гомогенизация исходных реагентов осуществляется на молекулярном (нано-)уровне, что значительно облегчает получение полностью однофазных материалов.