Застосування суперіонної кераміки на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді cu6ps5i як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії

Реферат: Винахід належить до галузі приладобудування і стосується пристроїв для виробництва електричної енергії. Як матеріал для твердоелектролітичного джерела енергії застосовують суперіонну кераміку на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I. Суперіонна кераміка має високу електричну електропровідність, а отже є гарним матеріалом для твердоелектролітичного джерела енергії. UA 100189 C2 (12) UA 100189 C2 UA 100189 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до таких областей приладобудування як космічна техніка, інтегральна мікроелектроніка, біомедична електроніка, зокрема до пристроїв для виробництва електричної енергії і може знайти застосування в різних промислових виробництвах, які потребують нових та ефективних джерел енергії. Сучасні твердоелектролітичні батареї характеризуються питомою густиною енергії порядку 200-300 Втгод./кг, яка майже у 8 разів більша, ніж у свинцевих батарей. На сьогоднішній день їх виробляють такі відомі фірми як Wilson Greatbatch Ltd, Catalyst Research Corp., Union-Carbide і т.д. [1]. Відоме використання як твердоелектролітичного джерела енергії такого матеріалу як суперіонна кераміка на основі мікрокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I [2]. Недоліком даного матеріалу, попри його технологічність, простоту та дешевизну одержання, є недостатньо високе значення іонної електропровідності. Задача винаходу полягає у виборі такого матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії, який при таких же як у найближчого аналогу технологічності, простоті та дешевизні одержання, мав би вище значення іонної електропровідності, а отже був би кращим матеріалом для твердоелектролітичного джерела енергії. Поставлена задача досягається таким чином, що використовують відому хімічну сполуку йодид-пентатіофосфат міді Cu6PS5I у нанокристалічному вигляді вперше у ролі матеріалу суперіонної кераміки, що має високу іонну електропровідність та низьку енергію активації провідності, для твердоелектролітичного джерела енергії. На кресл. наведено частотну залежність електропровідності суперіонної кераміки на основі нанокристалічного йодидпентатіофосфату міді Cu6PS5I. Вимірювання електропровідності σ проводилися в інтервалі частот 10 Гц - 3 ГГц при температурі Г=300 К за методикою та на установці, які описані в [3]. На -1 -1 частоті 1 кГц величина електропровідності складає =1.0×10 Ом , тоді як на частоті 10 МГц -2 -1 -1 величина електропровідності складає =3.5×10 Ом ×м . Частотні дослідження вказали на існування двох дисперсійних областей, викликаних іонним транспортом в міжкристалітній області та в об'ємі нанокристалів кераміки: високочастотна область спектра відповідає релаксації в об'ємі мікрокристалів, тоді як низькочастотна - відповідає релаксації на границі зерен (креслення). Таким чином, суперіонна кераміка на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I має достатньо високу електропровідність, порівняну з електропровідністю кращих мідьвмісних твердих електролітів. Перевага над прототипом полягає у тому, що при такій же технологічності, простоті та дешевизні одержання, суперіонна кераміка на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I має вищі значення іонної електропровідності. Приклад Для одержання 10 г речовини Cu6PS5I брали 4.5428 г Сu, 2.2920 г S, 0.4428 г Р та 3.7228 г CuI і завантажували у кварцову ампулу довжиною 160 мм та діаметром 20 мм. Ампулу -2 відкачували до залишкового тиску 10 Па і далі проводили синтез у такий спосіб: проводили нагрівання з швидкістю 100 К/год. до температури 450-500 К і витримували при ній протягом 24 годин; з швидкістю 100 К/год. температуру доводили до максимальної - 750-800 К і витримували при ній протягом 5-6 діб; проводили охолодження до кімнатної температури з швидкістю 100 К/год. Нанокристалічний порошок Cu6PS5I був одержаний шляхом розмелювання у кульовому млині. Дифракційні спектри рентгенівських променів використовувалися для визначення розмірів нанокристалів, отриманих з результаті поступового розмелювання. Визначений таким чином середній розмір нанокристалів склав 24 нм. Таблетки діаметром 8 мм та товщиною 0,2-2 мм пресувалися під тиском 250 МПа і знову розміщалися у вакуумованій кварцовій ампулі. Потім ампулу нагрівали з швидкістю 100 К/год. до температури 600 °C і витримували при ній протягом 24 годин. Після цього ампулу охолоджували до кімнатної температури, а на торцеві поверхні таблеток наносили електричні контакти. Таким чином, отримана суперіонна кераміка на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I з нанесеними електричнимиконтактами є електролітичною коміркою типу Cu|Cu6PS5I|C, де С графітовий порошок, яка є основним елементом твердоелектролітичного джерела енергії. Застосування суперіонної кераміки на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I у пристроях для виробництва електричної енергії дозволяє покращити характеристики твердоелектролітичного джерела енергії, оскільки забезпечується їх висока технологічність, хімічна стійкість та відносна дешевизна. Використання нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I як матеріалу суперіонної кераміки для твердоелектролітичного джерела енергії дає можливість застосовувати його в різних промислових виробництвах, які потребують нових та ефективних 1 UA 100189 C2 5 10 джерел енергії. Планується використання суперіонної кераміки на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I в лабораторіях УжНУ при виконанні фундаментальних досліджень нових твердоелектролітичних матеріалів. Джерела інформації: 1. Julien С. Technological applications of solid state ionics // Mat.Sci.and Engineering.-1990. - Vol. B6, №1-2. - P.9-28. 2. Застосування суперіонної кераміки на основі мікрокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Cu6PS5I як матеріалу для твердоелектролітичного джерела енергії: Патент України UA 54729, МГЖ (2009) Н01М 6/00, Н01М 6/18 / Студеняк І.П., Бучук Р.Ю., Панько В.В., Пріц І.П. №и201004588; Заявлено 19.04.2008; Опубл. 25.11.2010, Бюл. №22.-2 с. – найближчий аналог. 3. Orliukas A.F., Kezionis A., Kazakevicius E. Impedance spectroscopy of solid electrolytes in the radio frequency range // Solid State Ionics.-2005. - Vol. 176. - P. 2037-2043. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Застосування суперіонної кераміки на основі нанокристалічного йодид-пентатіофосфату міді Сu6РS5І як матеріалу, що має високу іонну електропровідність, для твердоелектролітичного джерела енергії. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 2