IONIC CONDUCTIVITY AT ROOM TEMPERATURE AND THERMAL STABILITY OF CHLORINE-CONDUCTING SOLID ELECTROLYTES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Search for chlorine-conducting solid electrolytes with a high ionic conductivity σ293K at room temperature (293 K) is based on the analysis of temperature measurements of the electrical conductivity σ(T) of simple and complex compounds, solid solutions, composites, and glasses. A comparison of the thermal stability of chlorides is based on the analysis of the dependences σ(T) in cyclic heating–cooling measurements and the physicochemical data. Maximum σ293 K values were found for the solid solutions (3 × 10−5 S/cm) and (1 × 10−4 S/cm). Promising directions of search for chlorine-ion solid electrolytes for chemical current sources and chlorine sensors operating at room temperature are the method of crystallochemical heterovalent substitutions and implementation of the vacancy mechanism of electrical conductivity in crystal structures of the cotunnite (PbCl2) and fluorite (CaF2) types. The parameters of the ionic conductivity of cotunnite and fluorite crystals of chlorides and fluorides are analyzed.

About the authors

N. I. Sorokin

Shubnikov Institute of Crystallography, Federal Scientific and Research Center “Crystallography and Photonics,” Russian Academy of Sciences, Moscow, 119333 Russia

Author for correspondence.
Email: nsorokin1@yandex.ru
Россия, Москва

References

  1. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. Т. 2. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2010. 1000 с.
  2. Hussain S., Yangping L. // Energy Transitions. 2020. V. 4. P. 1. https://doi.org/10.1007/s41825-020-00029-8
  3. Karkera G., Anji Reddy M., Fichtner M. // J. Power Sources. 2021. V. 481. P. 228877.
  4. Mohammad I., Witter R., Fichtner M., Anji Reddy M. // ACS Appl. Energy Mater. 2018. V. 1. P. 4766.
  5. Gschwind F., Rodrigues-Garcia G., Sandbeck J.S. et al. // J. Fluor. Chem. 2016. V. 182. P. 76.
  6. Anji Reddy M., Fichtner M. // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. P. 17059.
  7. Потанин А.А. // Журн. Рос. хим. о-ва им. Д.И. Менделеева. 2001. Т. 45. № 5–6. С. 58.
  8. Okamoto K., Imanaka N., Adachi G. // Solid State Ionics. 2002. V. 154–155. P. 577.
  9. Gao P., Reddy M.A., Mu X. et al. // Angew. Chem. 2016. V. 128. P. 4357.
  10. Gschwind F., Steinle D., Sandbeek D. et al. // ChemistryOpen. 2016. https://doi.org/10.1002/open.201600109
  11. Zhao X., Ren S., Bruns M., Fichtner M. // J. Power Sources. 2014. V. 245. P. 706. https://doi.org/10.1016/jpowsour.2013.07.001
  12. Liu J., Zhang J., Chen X. et al. // ChemElectroChem. 2022. https://doi.org/10.1002/celc.202200332
  13. Sakamoto R., Shirai N., Inoishi A., Okada S. // ChemElectroChem. 2021. V. 8. P. 4441.https://doi.org/10.1002/celc.202101017
  14. Shannon R.D. // Acta Cryst. A. 1976. V. 32. P. 751.
  15. Sobolev B.P., Sorokin N.I., Bolotina N.B. // Photonic & Electronic Properties of Fluoride Materials / Eds. Tressaud A., Poeppelmeier K. Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 465.
  16. Сорокин Н.И., Соболев Б.П., Кривандина Е.А., Жмурова З.И. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 1. С. 123.
  17. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 3. С. 431.
  18. Соболев Б.П., Сорокин Н.И., Кривандина Е.А., Жмурова З.И. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 4. С. 609.
  19. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 5. С. 870.
  20. Мурин И.В., Глумов О.В., Мельникова Н.А. // Электрохимия. 2009. Т. 45. № 4. С. 438.
  21. Сорокин Н.И., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2016. Т. 61. № 2. С. 314.
  22. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела. Т. 1. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2000. 616 с.
  23. Сорокин Н.И., Ивановская Н.А., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 2. С. 286.
  24. Beniere M., Chemla M., Beniere F. // J. Phys. Chem. Solids. 1979. V. 40. P. 729.
  25. Carr V.M., Chadwick A.V., Saghafian R. // J. Phys. C. 1978. V. 11. P. L637.
  26. Hood G.M., Morrison J.A. // J. Appl. Phys. 1967. V. 38. P. 4796.
  27. Berardan D., Frangez S., Meena A.K., Dragoe N. // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. P. 9536. https://doi.org/10.1039/c6ta03249d
  28. Takahashi T. // Mater. Sci. Eng. B. 1992. V. 13. P. 199.
  29. Лидьярд А. Ионная проводимость кристаллов. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. 223 с.
  30. Yoon D.M., Lazarus D. // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. № 10. P. 4935.
  31. Мурин А.Н., Мурин И.В., Сивков В.П. // ФТТ. 1973. Т. 15. № 1. P. 142.
  32. Крёгер Ф. Химия несовершенных кристаллов. М.: Мир, 1969. 654 с.
  33. Samara G.A. // Phys. Rev. B. 1980. V. 22. № 12. P. 6476.
  34. Samara G.A. // Solid State Physica: advance research and applications / Eds. Ehrenreich H., Furnball D. Orlando, USA. 1984. P. 454.
  35. Chadwick A.V., Kirkwood F.G., Saghafian R. // J. Phys. (Paris) 1976. V. 37. P. C7-337.
  36. Chadwick A.V. // Solid State Ionics. 1983. V. 8. P. 209.
  37. Oberschmidt J., Lazarus D. // Phys. Rev. B. 1980. V. 21. P. 2952.
  38. Schoonman J. // Solid State Ionics. 1980. V. 1. P. 121.
  39. Schroter W., Nolting J. // J. Phys. (Paris) 1980. V. 41. P. C6-20.
  40. Бучинская И.И., Федоров П.П. // Успехи химии. 2004. Т. 73. № 4. С. 404.
  41. Sobolev B.P., Seiranian K.B., Garashina L.S., Fedo-rov P.P. // J. Solid State Chem. 1979. V. 28. № 1. P. 51.
  42. Haines J., Leger J.M., Schulte O. // Phys. Rev. B. 1998. V. 57. № 13. P. 7551.
  43. Bendall P.J., Catlow C.R.A., Fender B.E.F. // J. Phys. C.: Solid State Phys. 1984. V. 17. № 5. P. 797.
  44. Нозик Ю.З., Фыкин Л.Е., Мурадян Л.А. // Кристаллография. 1976. Т. 21. Вып. 1. С. 76.
  45. Van Berg J.M. // Acta Cryst. 1961. V. 14. P. 1002.
  46. Shand M., Hanson R.C., Dirrington C.E., O’Keeffe M. // Solid State Commun. 1976. V. 18. № 7. P. 769.
  47. Белослудов В.Р., Ефремова Р.И., Матизен Э.В. // ФТТ. 1974. Т. 16. № 5. С. 1311.
  48. Voronin B.M., Volkov S.V. // J. Phys. Chem. Solids 2001. V. 62. P. 1349.
  49. Derrington C.E., Lindner A., O’Keeffe M. // J. Solid State Chem. 1975. V. 15. P. 171.
  50. Hull S., Norberg S.T., Ahmed I. et al. // J. Solid State Chem. 2011. V. 184. P. 2925.
  51. Gillan M.J., Dixon M. // J. Phys. C. 1980. V. 13. P. 1901.
  52. Barsis E., Taylor A. // J. Chem. Phys. 1966. V. 45. P. 1154.
  53. Bollmann W. // Kristall Technik. 1980. B. 15. S. 197.
  54. Мурин И.В. // Дисс. … докт. хим. наук. ЛГУ. 1984.
  55. Kirkwood F.G. // Ph. D. Thesis. University of Kent. 1980.
  56. Ong S.H., Jacobs P.W. // J. Solid State Chem. 1980. V. 32. P. 193.
  57. Schoonman J., Hartog H.W. // Solid State Ionics. 1982. V. 7. P. 9.
  58. Pansare A.K., Patankar A.V. // Pramana. 1974. V. 2. № 5. P. 282.
  59. Oberschmidt J., Lazarus D. // Phys. Rev. B. 1980. V. 21. P. 5813.
  60. De Vries K.J., Van Santen J.H. // Physica. 1963. V. 29. P. 482.
  61. Kennedy J.H., Miles R.S. // J. Electrochem. Soc. 1976. V. 123. P. 47.
  62. Bollmann W. // Phys. Status Solidi. A. 1973. V. 18. P. 313.
  63. Bonne R.W., Schoonman J. // J. Electrochem. Soc. 1977. V. 124. P. 28.
  64. Samara G.A. // J. Phys. Chem. Solids. 1979. V. 40. P. 509.
  65. Сорокин Н.И., Федоров П.П., Соболев Б.П. // Неорган. материалы. 1997. Т. 33. № 1. С. 5.
  66. Azimi A., Carr V.M., Chadwick A.W. et al. // J. Phys. Chem. Solids. 1984. V. 45. P. 23.
  67. Liang C.C., Joshi A.V. // J. Electrochem. Soc. 1975. V. 122. P. 446.
  68. Kimura N., Niizeki Y. // Solid State Ionics. 1981. V. 3–4. P. 385.
  69. Derrington C.E., O’Keeffe M. // Solid State Commun. 1974. V. 15. P. 1175.
  70. Hiromichi A., Ayako Y., Eisuke S. et al. // Sens. Actuators B. 1997. V. 40. P. 7.
  71. Hoshino H., Yamazaki M., Nakamura Y., Shimoji M. // J. Phys. Soc. Jpn. 1969. V. 26. № 6. P. 1422.
  72. Plekhanov V.G. // Prog. Mater. Sci. 2004. V. 49. P. 787.
  73. Bonne R.W., Schoonman J. // J. Electroanal. Chem. 1978. V. 89. P. 289.
  74. Bonne R.W., Schoonman J. // J. Electroanal. Chem. 1978. V. 89. P. 301.
  75. Schoonman J. // J. Solid State Chem. 1972. V. 4. P. 466.
  76. Gabrial A., Pelton A.D. // Can. J. Chem. 1985. V. 63. P. 3276.
  77. Угай Я.А., Шатилло В.А. // Журн. физ. химии. 1949. Т. 23. С. 744.
  78. Уваров Н.Ф. Композиционные твердые электролиты. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. 258 с.
  79. Kumar A., Shahi K. // J. Mater. Sci. 1995. V. 30. P. 4407.
  80. Busmundrud O., Feder J. // Solid State Commun. 1971. V. 9. P. 1575.
  81. Nizeki Y. // Solid State Ionics. 1993. V. 66. P. 49.
  82. Mizusaki J., Agai K., Fueki K. // Solid State Ionics. 1983. V. 11. P. 203.
  83. Мельникова Н.А., Глумов О.В., Глумов А.В., Мурин И.В. // Журн. прикл. химии. 1999. Т. 72. № 4. С. 598.
  84. Yamado K., Kuranaga Y., Veda K. et al. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1998. V. 71. P. 127. https://doi.org/10.1246/bcsj.71.127
  85. Shitara K., Kuwabara A., Hibino K. et al. // Dalton Trans. 2021. V. 50. P. 151. https://doi.org/10.1039/D0DT02502
  86. Nunotani N., Misran M.R.I.B., Inada M. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2020. V. 103. P. 297. https://doi.org/10.1111/jace.16727
  87. Imanaka N., Okamoto K., Adachi G. // Angew. Chem. Int. Ed. 2002. V. 41. P. 3890.
  88. Sokolov I.A., Murin I.V., Wimhofer H.D., Pronkin A.A. // Glass Phys. Chem. 2000. V. 26. № 2. P. 148.
  89. Aono H., Sugimoto E., Sadaoko Y. // J. Ceram. Soc. Jpn. 1998. V. 106. № 7. P. 645.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (42KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences