Penambahbaikan kekonduksian ion dalam elektrolit pepejal seramik berstruktur nasicon dengan sumber fosfat baharu

Abstract

Permintaan tinggi bagi teknologi storan tenaga telah menggalakkan para penyelidik untuk mencari menjangkaui pilihan yang tersedia secara komersial seperti bateri ion litium yang boleh dicas semula. Sebagai alternatif yang berpotensi, bateri ion natrium yang boleh dicas semula berfungsi dengan cara yang serupa tetapi mempunyai kelebihan bahan mentah yang banyak dan mudah didapati pada kos yang rendah. Di samping itu, elektrolit cecair menimbulkan kebimbangan keselamatan yang serius, sekiranya terdapat kebocoran yang menyebabkan litar pintas dan haba luar kawalan. Oleh itu, reka bentuk bateri keadaan pepejal yang menggunakan elektrolit pepejal adalah salah satu cara untuk memperbaiki isu keselamatan dalam aplikasi bateri. Dalam kajian ini, pembangunan elektrolit pepejal seramik yang berstruktur konduktor super ionik natrium (NASICON) dengan formula Na3Zr2(SiO4)2PO4 (NZSP) telah dilakukan. Walau bagaimanapun, NZSP yang mengandungi NH4H2PO4 dan Na3PO4⋅12H2O sebagai sumber fosfat telah dikaji secara meluas sebagai elektrolit pepejal, dan kekonduksian ion yang dicapai masih dianggap rendah apabila dibandingkan dengan elektrolit cecair konvensional. Dalam kajian ini, sampel NZSP telah disintesis melalui tindak balas keadaan pepejal dengan menggunakan NaH2PO4 sebagai sumber fosfat baharu dan mengubah keadaan sintesis. Dalam sistem I, tumpuan utama adalah pada pemprosesan NZSP dengan jangka masa pensinteran yang berbeza. Fenomena pertumbuhan leher, penumpatan dan pertumbuhan butiran semasa proses pensinteran telah dibincangkan dengan lebih lanjut. Didapati bahawa jangka masa pensinteran selama 24 jam pada 1100 °C adalah parameter optimum kerana sampel NZSP mempunyai kandungan fasa NASICON yang utama disertai dengan pembentukan m-ZrO2 yang minimum. Ia juga mempunyai ketumpatan tertinggi disertai dengan liang paling sedikit. Ia mencapai kekonduksian ion tertinggi iaitu 4.11 × 10-4 S cm-1 pada suhu bilik dan masa santaian tersingkat iaitu 0.4 μs. Dalam sistem II, tumpuan utama adalah pada pemprosesan NZSP dengan jangka masa pengisaran yang berbeza. Peralihan puncak pembelauan diperhatikan disebabkan oleh tegasan dalaman yang didorong oleh proses pengisaran. Pengisaran bebola selama 24 jam ialah tempoh optimum kerana sampel NZSP menghablur dengan sempurna dalam sistem monoklin (kumpulan ruang: C2/c) dengan herotan kekisi paling sedikit dalam struktur hablur. Ia mempamerkan kekonduksian ion tertinggi iaitu 9.66 × 10-4 S cm-1 pada suhu bilik dengan tenaga pengaktifan terendah iaitu 0.12 eV. Dalam sistem III, lebihan natrium daripada Na2CO3 dan lebihan fosforus daripada NH4H2PO4 telah ditambah ke dalam NZSP induk dengan peratus berat yang berbeza. Jumlah penambahan optimum bagi lebihan natrium sahaja didapati 5% bt. dengan kekonduksian ion tertinggi iaitu 1.05 × 10-3 S cm-1 pada suhu bilik. Penambahbaikan kekonduksian ion NZSP boleh dikaitkan dengan peningkatan pembawa Na+ dan pembentukan fasa sekunder yang berkelebihan dalam sampel untuk menyediakan lebihan kekosongan ion Na+ bagi pengangkutan ion natrium. Sampel NZSP terbaik kemudiannya boleh digunakan sebagai elektrolit pepejal bagi pembuatan bateri keadaan pepejal ion natrium.