Хімія, фізика та технологія поверхні, 2025, 16 (2), 213-221.

Вплив форми фосфату Na4Ni3(PO4)2P2O7 на іонну провідність



DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.02.213

N. Yu. Strutynska, Y. A. Titov, R. M. Kuzmin, O. V. Petrenko, M. S. Slobodyanik

Анотація


Складні фосфати лужних та полівалентних металів завдяки розмаїттю структурних типів, складів та властивостей є перспективними матеріалами різного функціонального призначення, у тому числі і компонентів натрій-іонних батарей. Відомо, що значний вплив на властивості мають хімічний склад та форма (монокристали, кераміки, наночастинки) матеріалу. Метою роботи було синтез різних форм (монокристали, склокераміка) змішаноаніонного фосфату Na4Ni3(PO4)2P2O7,що є перспективним катодним матеріалом, та вивчення впливу форми фосфату на іонпровідні властивості. У роботі вперше здійснено синтез склокераміки Na4Ni3(PO4)2P2O7 методом розплавного синтезу за мольних співвідношень Na2О : NiО : P2O5 = 2 : 3 : 2. Змішаноаніонний фосфат також був одержанийу формі монокристалів методом кристалізаціївисокотемпературного розчин-розплаву складу Na2О-NіО-P2O5 у розрізі мольних співвідношень Na2О/P2O5 = 1.3 та Nі/P = 0.2. За даними порошкової рентгенографії встановлено, що синтезований Na4Ni3(PO4)2P2O7 належить до орторомбічної сингонії (пр. гр. Pn21a), а розраховані параметри комірок близькі до відповідних даних з літератури. Результати ІЧ-спектроскопії підтверджують присутність двох типів аніонів (РО4 та Р2О7) у складі синтезованих фосфатів. Дослідження іонної провідності синтезованих монокристалів та склокераміки методом імпедансної спектроскопії виявило, що монокристалічна та склокерамічна форми фосфату Na4Ni3(PO4)2P2O7 характеризуються близькими значеннями питомої провідності при температурі 400 K, однак значення енергії активації для склокерамічного зразка є удвічі меншою. У випадку пресованої склокераміки характеристики фосфату суттєво погіршуються. Одержані результати в подальшому можуть бути використані при одержанні матеріалів для натрій-іонних батарей на основі склокераміки Na4Ni3(PO4)2P2O7 з покращеними іонпровідними характеристиками.


Ключові слова


змішаноаніонний фосфат; склокераміка; монокристали; іонна провідність; ІЧ-спектроскопія

Повний текст:

PDF

Посилання


1. Tang W., Song X., Du Y., Peng C., Lin M., Xi S., Tian B., Zheng J., Wu Y., Pan F., Loh K. P., High-performance NaFePO4 formed by aqueous ion-exchange and its mechanism for advanced sodium ion batteries. J. Mater. Chem. A. 2016. 4(13): 4882. https://doi.org/10.1039/C6TA01111J

2. Priyanka V., Savithiri G., Subadevi R., Sivakumar M. An emerging electrochemically active maricite NaMnPO4 as cathode material at elevated temperature for sodium-ion batteries. Appl. Nanosci. 2020. 10: 3945. https://doi.org/10.1007/s13204-020-01506-8

3. Pal S.K., Thirupathi R., Chakrabarty S., Omar S. Improving the Electrochemical Performance of Na3V2(PO4)3 Cathode in Na-Ion Batteries by Si-Doping. ACS Appl. Energy Mater. 2020. 3(12): 12054. https://doi.org/10.1021/acsaem.0c02188

4. Niu Y., Zhang Y., Xu M. A review on pyrophosphate framework cathode materials for sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A. 2019. 7(25): 15006. https://doi.org/10.1039/C9TA04274A

5. Gezović A., Vujković M.J., Milović M., Grudić V., Dominko R., Mentus S. Recent developments of Na4M3(PO4)2(P2O7) as the cathode material for alkaline-ion rechargeable batteries: challenges and outlook. Energy Storage Mater. 2021. 37: 243. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.011

6. Nose M., Nobuhara K., Shiotani S., Nakayama H., Nakanishia S., Ibaa H. Electrochemical Li+ insertion capabilities of Na4-xCo3(PO4)2P2O7 and its application to novel hybrid-ion batteries. RSC Adv. 2014. 4(18): 9044. https://doi.org/10.1039/c3ra45836a

7. Gao L., Zhao R., Han S., Li S., Zou R., Zhao Y. Antiperovskite Ionic Conductor Layer for Stabilizing the Interface of NASICON Solid Electrolyte Against Li Metal in All-Solid-State Batteries. Batteries Supercaps. 2021. 4(9): 1491. https://doi.org/10.1002/batt.202100123

8. Zheng Y., Yao Y., Ou J., Li M., Luo D., Dou H., Li Z., Amine K., Yu A., Chen Z. A review of composite solid-state electrolytes for lithium batteries: fundamentals, key materials and advanced structures. Chem. Soc. Rev. 2020. 49(23): 8790. https://doi.org/10.1039/D0CS00305K

9. Sanz F., Parada C., Rojo J.M., Ruíz-Valero C. Synthesis, structural characterization, magnetic properties, and ionic conductivity of Na4MII3(PO4)2(P2O7) (MII = Mn, Co, Ni). Chem. Mater. 2001. 13(4): 1334. https://doi.org/10.1021/cm001210d

10. Wood S.M., Eames C., Kendrick E., Islam M.S. Sodium Ion Diffusion and Voltage Trends in Phosphates Na4MII3(PO4)2 (P2O7) (M = Fe, Mn, Co, Ni) for Possible High-Rate Cathodes. J. Phys. Chem. C. 2015. 119(19): 15935. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b04648

11. Ma X., Wu X., Shen P. Rational Design of Na4Fe3(PO4)2(P2O7) Nanoparticles Embedded in Graphene: Toward Fast Sodium Storage Through the Pseudocapacitive Effect. ACS Appl. Energy Mater. 2018. 1(11): 6268. https://doi.org/10.1021/acsaem.8b01275

12. Kim H., Park I., Lee S., Kim H., Park K.Y., Park Y.U., Kim H., Kim J., Lim H.D., Yoon W.S., Kang K. Understanding the electrochemical mechanism of the new iron- based mixed-phosphate Na4Fe3(PO4)2(P2O7) in a Na rechargeable battery. Chem. Mater. 2013. 25(18): 3614. https://doi.org/10.1021/cm4013816

13. Kosova N.V, Shindrov A.A. Effect of Mixed Li+/Na+-ion Electrolyte on electro- chemical perforamce of Na4Fe3(PO4)2(P2O7) in hybrid batteries. Batteries. 2019. 5(2): 39. https://doi.org/10.3390/batteries5020039

14. Lee M.H., Kim S.J., Chang D., Kim J., Moon S., Oh K., Park K.Y., Seong W.M., Park H., Kwon G., Lee B., Kang K. Toward a low-cost high- voltage sodium aqueous rechargeable battery. Mater. Today. 2019. 29: 26. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.02.004

15. Barsoukov E., Macdonald J.R. Impedance spectroscopy: theory, experiment, and applications. (Hoboken, New Jersey: Published by John Wiley & Sons, 2005). https://doi.org/10.1002/0471716243

16. Boukamp B.A. A nonlinear least squares fit procedure for analysis of immittance data of electrochemical systems. Solid State Ionics. 1986. 20(1): 31. https://doi.org/10.1016/0167-2738(86)90031-7

17. Sinclair D.C. Characterization of electro-materials using ac impedance spectroscopy. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio. 1995. 34(2): 55.

18. Sinclair D.C., West A.R. Electrical properties of a LiTaO3 single crystal. Phys. Rev. B Condens Matter. 1986. 39(18): 13486. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.13486

19. Mančić D., Paunović V., Vijatović M., Stojanović B., Živković Lj. Electrical characterization and impedance response of lanthanum doped barium titanate ceramics. Sci. Sintering. 2008. 40(3): 283. https://doi.org/10.2298/SOS0803283M

20. West A.R. Solid State Chemistry and Its Applications. (Hoboken: Wiley, 1984).




DOI: https://doi.org/10.15407/hftp16.02.213

Copyright (©) 2025 N. Yu. Strutynska, Y. A. Titov, R. M. Kuzmin, O. V. Petrenko, M. S. Slobodyanik

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.