Статья поступила в редакцию 31.08.15. Ред. рег. № 2312
The article has entered in publishing office 31.08.15. Ed. reg. No. 2312
УДК 544.651.1
ИНТЕРКАЛИРОВАННЫЕ ОКСИДЫ НИКЕЛЯ В ТВЕРДОФАЗНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ
1 2 2 2 Г.И. Сигейкин , A.M. Михайлова , H.H. Ковынёва , Е.Д. Михайлов
1ФГБУН Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук РФ 119333, Москва, ул. Вавилова, 44, корп. 2 тел.: 8(499) 135-20-58; e-mail: mzai2@ipiran.ru 2 ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина РФ 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77 8-(8452)-998627; kovinyovann@bk.ru
doi: 10.15518/isjaee.2015.20.010
Заключение совета рецензентов: 04.09.15 Заключение совета экспертов: 11.09.15 Принято кпубликации: 18.09.15
В работе исследовалась возможность использования интеркалированных оксидов никеля в качестве катодного материала для создания источника тока с твёрдым электролитом ß-Al2O3. Установлено, что при функционировании твёрдофазной электрохимической системы Na(Hg) / ß-Al2O3 / Nao,2NiO2 продукт реакции также является твёрдым электролитом с проводимостью по ионам щелочного металла. Получены электротехнические характеристики лабораторных макетов химических источников тока.
Ключевые слова: химический источник тока (ХИТ), твердый электролит, ß-глинозем.
THE INTERCALATED OXIDES OF NICKEL IN SOLID PHASE POWER CONVERTERS
G.I. Sigeikin1, A.M. Mikhailova2, N.N. Kovyneva2, E.D. Mikhailov
1Interdepartmental Center of Analytical Researches in the Field of Physics, Chemistry and Biology at the Presidium of the RAS 2 block, 44 Vavilov str., Moscow, 119333 Russian Federation ph.: 8(499) 135-20-58; e-mail: mzai2@ipiran.ru 2Federal State Institution of Science Yuri Gagarin State Technical University of Saratov 77 Polytechnicheskaya str., Saratov, 410054 Russian Federation ph.: 8(452) 99-86-27; e-mail: kovinyovann@bk.ru
doi: 10.15518/isjaee.2015.20.010
Referred 04 September 2015 Received in revised form 11 September 2015 Accepted 18 September 2015
The article considers the possibility of using intercalated oxides of nickel as cathode material of current source with a solid electrolyte O-Al2O3. It is established that at the functioning of solid-state electrochemical system Na(Hg)/p-Al2O3/Na0,2NiO2, the reaction product is a solid electrolyte with a conductivity of alkali metal ions. There are obtained electrical characteristics of laboratory model chemical current source.
Keywords: chemical current source, solid electrolyte, G-alumina.
!
А-
Сигейкин Геннадий Иванович Gennadiy I. Sigeikin
Сведения об авторе: д-р хим. наук, ФГБУН Межведомственный центр аналитических исследований в области физики, химии и биологии при Президиуме Российской академии наук.
Образование: Уральский технический университет (Уральский политехнический институт им. С.М. Кирова).
Область научных интересов: химические источники тока и суперконденсаторы.
Публикации: 185, в том числе 1 монография.
Information about the author: DSc
(chemistry), Interdepartment Center of Analytical Research in Physics, Chemistry and Biology at the Presidium of Russian Academy of Sciences.
Education: Ural State Technical University.
Research area: chemical sources of electricity and super-capacitors.
Publications: 185, including 1 monograph.
Михайлова Антонина
Михайловна Antonina M. Mikhailova
Сведения об авторе: д-р хим. наук, профессор, ФГБОУ ВПО Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.
Образование: Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского.
Область научных интересов: ионика твердого тела.
Публикации: более 200, в том числе 1 монография, 52 авторских свидетельства и патента.
Information about the author: DSc
(chemistry), Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Education: Saratov State University. Research area: solid state ionics. Publications: more than 200, including 1 monograph, 52 inventor's certificate and patent.
M, - G -'м1
с о
Ковынёва Наталья Николаевна Natalya N. Kovyneva
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ассистент, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.
Образование: Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского.
Область научных интересов: химические источники тока, твердые электролиты.
Публикации: 26 и 1 патент.
Information about the author:
PhD (engineering), Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Education: Saratov State University.
Research area: chemical current sources, solid electrolytes.
Publications: 26 and 1 patent.
-О
N
Сведения об авторе: аспирант, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.
Образование: Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина.
Область научных интересов: водородная энергетика, топливные элементы.
Публикации: 18.
Information about the author:
postgraduate, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Education: Yuri Gagarin State Technical University of Saratov.
Research area: hydrogen energy, fuel cell.
Publications: 18.
Михайлов Егор Дмитриевич Egor D. Mikhailov
Введение
К особенностям электрохимических систем с твёрдым электролитом можно отнести отсутствие жидкой фазы, высокую сохранность (до 20 лет) и униполярную проводимость твёрдого электролита, обеспечивающую реализацию продуктов разряда исключительно в области катода и за счет этого позволяющую системе функционировать в аккумуляторном режиме. На этом же принципе основана работа литий-ионных аккумуляторов [1-3]. В статье [4], посвящённой исследованию поведения Р-Л1203 на границе с органическими комплексами с переносом заряда (КПЗ), которые обладают полупроводниковой проводимостью р-типа, было показано, что такое явление существует, и оно может быть положено в основу создания твёрдофазного обратимого химического источника тока (ХИТ). Однако, ввиду большого молекулярного веса органических полупроводников р-типа, последние не обеспечивают высокую удельную энергию ХИТ, теоретическое значение которой составляет всего лишь 200 + 300 Вт-ч/кг, хотя ЭДС таких систем имеет достаточно высокое значение ~3 В благодаря использованию анода из щелочного металла. Для того чтобы повысить удельную энергию целесообразно оценить возможность использования в ХИТ неорганических легированных оксидов переходных металлов, также обладающих полупроводниковой проводимостью р-типа. Теоретическая энергия ХИТ на основе щелочного металла и неорганических оксидов ^-элементов составляет 800 ^ 1 000 Вт-час/кг, т.е. в 3-4 раза превышает значение аналогичного параметра для систем с органическими полупроводниками /»-типа. В данной работе предпочтение отдано легированным оксидам никеля с проводимостью р-типа.
Методика эксперимента
Синтез полиалюмината натрия [5] проводили в печи при температуре 1 380 + 1 400 оС в течение 2-х часов. Исходную смесь и синтезированный порошок перетирали в фарфоровой мельнице в течение 3-4 часов. Полученный порошок алюмината натрия анализировали на фазовый состав, содержание оксида натрия и легирующих добавок определяли по пик-нометрической плотности. Формирование электро-
литных мембран проводили методом двухстороннего прессования при давлении 5 ^ 6 т/см2. Полученные в виде таблеток диаметром 12 мм и толщиной 2 + 3 мм образцы спекались в вакуумной электропечи в среде инертного газа - аргона.
Полиалюминат лития, согласно [6], не удается получить прямым синтезом, и поэтому его готовили путем ионного обмена между полиалюминатом натрия и расплавом ЫМ03. Таким образом, обычно получается смешанный полиалюминат состава х№20*уП20х11Л1203, где х + у > 1. Материал проявляет так называемую соионную проводимость, сущность которой состоит в том, что при замещении примерно 50 % ионов ионами Ы+ число переноса последних практически достигает единицы, т.е. ионы перестают участвовать в переносе тока. При полном замещении ионов ионами Ы+ проводимость уменьшается на несколько порядков.
Химический синтез оксидных легированных полупроводников р-типа (Ых№02, №х№02) осуществлялся отжигом смесей Ы0И или №0И с различными соединениями никеля (оксид, нитрат, карбонильный никель) в атмосфере воздуха при 923 К в течение определенного промежутка времени (от 3 до 24 ч). Для более полного окисления №+2 до №+3 применяли четырехкратный избыток Ы0И в сравнении со стехиометрическим.
Твёрдые электролиты можно получать электрохимическим способом при катодной поляризации в ячейках с униполярным твёрдым электролитом путем миграции основного иона проводимости последнего в катодный материал. Электросинтез оксидных интерка-лированных полупроводников р-типа, обладающих свойствами твердого проводника по ионам натрия, проводился в гальваностатическом режиме в диапазоне токов 5 ^ 15 мкА/см2 при температуре 363 К.
Используемые в работе химические реактивы марки ч.д.а. предварительно сушились в вакуумной камере. Состав продуктов контролировался методами рентгенофазового и дифференциально-термического анализов.
Сборка двух- и трехэлектродных твердофазных ячеек (рис. 1) для электрохимических исследований проводилась в боксах 8ГП1-ОС в атмосфере сухого аргона высшего сорта (Г0СТ-10157-73) и сухой воздушной атмосфере с контролируемой влажностью (по точке росы не выше 243 К).
а б
Рис. 1. Конструкция двухэлектродной (а) и трехэлектродной (б) твердофазных ячеек: 1, 4 - пуансоны (токоотводы);
2 - корпус; 3 - изолирующая втулка; 5 - герметик; 6 - катодный материал; 7 - твердый электролит;
8 - анодный материал; 9 - электрод сравнения Fig. 1. The design of the two-electrode (a) and three-electrode (b) solid-state cells: 1, 4 - punches (collectors); 2 - body;
3 - insulating bushing; 5 - sealant; 6 - cathode; 7 - solid electrolyte; 8 - anode; 9 - reference electrode
Электрохимические измерения осуществляли на потенциостате ЕИщ Р-301. Исследования в переменном токе проходили с помощью импедансметра ЕИш 2-2000. Выходные параметры фиксировались компьютером с соответствующим программным обесп
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.