Твердый электролит для электрохимических устройств

 

Изобретение относится к электрохимическим устройствам и касается твердых электролитов с проводимостью одновременно по двум щелочным катионам. В электролит, содержащий оксид трехвалентного элемента M₂O₃ (M = Al, Fe, Ga), оксид четырехвалентного элемента ЭО₂ (Э = Si, Ti, Ge) и оксид рубидия, дополнительно вводят оксид калия или оксид цезия при следующем соотношении (мол. %): M₂O₃ - 30-40; ЭO₂ - 10-25; Rb₂o - 4,5-42,5; K₂O (или Cs₂O) - 4,5-42,5. 1 табл.

Изобретение относится к электрохимическим устройствам и касается твердых электролитов с проводимостью одновременно по двум щелочным катионам (так называемая со-катионная проводимость). Такие твердые электролиты могут использоваться в качестве диафрагм при электролизе расплавов смесей солей. Со-катионные твердые электролиты могут применяться также для электрохимической очистки расплавленного натрия, который используется в качестве теплоносителя в охлаждающих контурах на атомных электростанциях, от примесей калия, рубидия и цезия.

Известен со-катионный твердый электролит, являющийся силикатным стеклом, содержащим щелочные катионы двух типов, состава (I-x)A₂O·xA₂O·2SiO₂(A,A'=Li, Na, K) (Isard J.O.//J.Non-Cryst. Solids. 1969. V. 1. P. 235). Эти стекла имеют высокое удельное электросопротивление (10⁴ 10⁷ Ом·см при 300^oC, 10⁵ 10¹⁰ Ом·см при 150^oC, что ограничивает их практическое применение.

Известен также со-катионный твердый электролит семейства β -глинозема, имеющий состав 1,2 (I-x)K₂O·x A₂O·IIFe₂O₃ (A=Na, Rb, Cs, Tl) (см. например, S. Nariki и др.// J.Electrochem. Soc. 1989. V. 136. P. 2093). Такой твердый электролит имеет удельное электросопротивление ≈ 10 300 Ом·см при 300^oC и 5 100 Ом·см при 400^oC, однако имеющиеся в литературе данные об его электрических свойствах относятся к монокристаллам и не могут служить основанием для проектирования электрохимический устройств с использованием такого электролита, поскольку b-глинозем и его аналоги обладают двумерной проводимостью, и при переходе от монокристаллов к поликристаллическим образцам удельное электросопротивление возрастает в десятки и сотни раз.

Наиболее близким к изобретению является твердый электролит, содержащий оксид трехвалентного элемента, оксид четырехвалентного элемента и оксид рубидия (авт. св. N 1653433, кл. G 01 N27/416, Бурмакин Е.И. Смольников В.В. Шехтман Г.Ш.), имеющий высокую проводимость по катионам рубидия. Недостаток этого электролита заключается в том, что он не может применяться в качестве диафрагмы для разделения анодного и катодного пространств при электролизе расплавов смесей солей рубидия и калия или цезия, а также смесей щелочных металлов, поскольку в результате ионного обмена будут изменяться электросопротивление диафрагмы, а также состав анолита и католита.

Задачей изобретения является расширение областей применения твердых электролитов со щелочно-катионной проводимостью. Изобретение направлено на создание поликристаллического твердого электролита, имеющего высокую проводимость одновременно по двум щелочным катионам. Это достигается тем, что в известный твердый электролит, содержащий оксид трехвалентного элемента M₂O₃ (M= Al, Fe, Ga), оксид четырехвалентного элемента ЭO₂ (Э=Si, Ti, Ge) и оксид рубидия, дополнительно вводят оксид калия или оксид цезия при следующем соотношении компонентов (мол.): M₂O₃ 30-40; ЭO₂ 10-25; Rb₂O 4,5-42,5; K₂O (или Cs₂O) 4,5-42,5.

Предлагаемый электролит получают спеканием смесей M₂O₃, ЭO₂, Rb₂CO₃ и K₂CO₃ (или Cs₂CO₃) либо других солей щелочных металлов, которые при нагревании разлагаются с образованием оксидов. Полученный керамический материал имеет высокую со-катионную проводимость, причем число переноса каждого из щелочных катионов можно целенаправленно изменять, меняя их соотношение в твердом электролите. Электронная составляющая проводимости предлагаемого материала не превышает долей процента общей электропроводности. Результаты испытаний предлагаемых твердых электролитов приведены в таблице.

При содержании любого из щелочных оксидов менее 4,5 или более 42,5 мол. проводимость приобретает практически монокатионный характер, т.е. ток переносится одним из щелочных катионов.

Формула изобретения

Твердый электролит для электрохимических устройств, содержащий оксид трехвалентного элемента, оксид четырехвалентного элемента и оксид рубидия, отличающийся тем, что твердый электролит дополнительно содержит оксид калия или церия при следующем соотношении компонентов, мол.

M₂O₃ 30 40 ЭО₂ 10 25 Rb₂O 4,5 42,5 K₂O или Cs₂O 4,5 42,5 где M Al, Fe, Ga;
Э Si, Ti, Ge.

РИСУНКИ

Рисунок 1