Synthesis and electrochemical properties of LiyM1-xCaxMnO3 (M = Pr, Eu) solid solutions

В. Кордан; О. Заремба; П. Демченко; В. Павлюк

doi:10.15330/pcss.23.4.699-704

Автор(и)

В. Кордан Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
О. Заремба Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
П. Демченко Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна
В. Павлюк Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, Україна; Гуманітарно-природничий університет імені Яна Длугоша, Ченстохова, Польща

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.699-704

Ключові слова:

рентгенівська дифракція, електронна мікроскопія, структура перовскіту, електрохімічне літіювання

Анотація

Нові Li-вмісні тверді розчини Li_yM_1-_xCa_xMnO₃(M = Pr та Eu) були синтезовані електрохімічним літіюванням керамік зі структурою перовскіту. Якісний та кількісний склад вихідних (до літіювання) та Li-вмісних керамік визначили методами скануючої електронної мікроскопії та енергодисперсійної рентгенівської спектроскопії. Співвідношення між кількостями катіонів M/Ca/Mn в складі керамік було підтверджено рентгенівською флуоресцентної спектроскопією. Кристалічну структуру твердих розчинів M_1-_xCa_xMnO₃до літіювання (структурний тип GdFeO₃, просторова група Pnma, символ Пірсона oP20) та після літіювання (структура включення на основі типу GdFeO₃) визначити та уточнили методом Рітвельда. Рентгенівський структурний аналіз вказав на збільшення параметрів елементарної комірки для Li-вмісних фаз. Присутність аморфного гало на дифрактограмах у випадку Eu- та Pr-вмісних зразків пояснюється побічними продуктами реакції взаємодії поверхні оксидних фаз та компонентів з електроліту. За умов експерименту (анод на основі металічного Li), кількість інтеркальованого літію зростає у ряду: Li_0.084Eu_0.5Ca_0.5MnO₃, Li_0.113Pr_0.5Ca_0.5MnO₃, Li_0.134Pr_0.7Ca_0.3MnO₃. Метод скануючої електронної мікроскопії показав утворення Li-вмісних агрегатів розміром 200-900 нм. Зерна фаз демонструють блокоподібну чи нерегулярну форми із розвиненою поверхнею морфології.

Посилання

P. Villars, K. Cenzual (Eds.) Pearson’s Crystal Data – Crystal Structure Database for Inorganic Compounds, ASM International: Materials Park, OH, USA.Release, 2019/20.

M. Yashima, R. Ali, Structural phase transition and octahedral tilting in the calcium titanate perovskite CaTiO3, Solid State Ionics, 180, 120 (2009); https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.11.019.

P. Wagner, G. Wackers, I. Cardinaletti, J. Manca, J. Vanacken, From colossal magnetoresistance to solar cells: An overview on 66 years of research into perovskites, Phys. Status Solidi A, 9, 1700394 (2017); https://doi.org/10.1002/pssa.201700394.

S. Yoon, E. H. Otal, A. E. Maegli, L. Karvonen, S. K. Matam, S. Riegg, S. G. Ebbinghaus, J. C. Fallas, H. Hagemann, B. Walfort, S. Pokrant, A. Weidenkaff, Improved photoluminescence and afterglow of CaTiO3:Pr3+ by ammonia treatment, Opt. Mater. Express, 3(2), 248 (2013); https://doi.org/10.1364/OME.3.000248.

P. Kaur, K. Singh, Review of perovskite-structure related cathode materials for solid oxide fuel cells, Ceram. Int, 46(5), 5521 (2020); https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.11.066.

M. E. Arroyo-de Dompablo, C. Krich, J. Nava-Avendaño, M. R. Palacín, F. Bardé, In quest of cathode materials for Ca ion batteries: the CaMO3 perovskites (M = Mo, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni), Phys. Chem. Chem. Phys., 18,19966 (2016); https://doi.org/10.1039/C6CP03381D.

A. Mai, V. A. C. Haanappel, S. Uhlenbruck, Fr. Tietz, D.Stöver, Ferrite-based perovskites as cathode materials for anode-supported solid oxide fuel cells: Part I. Variation of composition, Solid State Ionics, 176(15–16), 1341(2005); https://doi.org/10.1016/j.ssi.2005.03.009.

J. Han, K. Zheng, K. Świerczek, Nickel-based layered perovskite cathode materials for application in intermediate-temperature solid oxide fuel cells, Funct. Mater. Lett., 4(2), 151 (2011); https://doi.org/10.1142/S1793604711001853.

Z. Lu, Fr. Ciucci, Anti-perovskite cathodes for lithium batteries, J. Mater. Chem. A., 6, 5185 (2018); https://doi.org/10.1039/C7TA11074J.

M. Amores, H. El-Shinawi, I. McClelland, S. R. Yeandel, P.J. Baker, R.I. Smith, H. Y. Playford, P. Goddard, S. A. Corr, E. Cussen, Li1.5La1.5MO6 (M = W6+, Te6+) as a new series of lithium-rich double perovskites for all-solid-state lithium-ion batteries, J. Nat. Commun, 11, 6392 (2020); https://doi.org/10.1038/s41467-020-19815-5.

J. Yan, D Wang., X. Zhang, J. Li, Q. Du, X. Liu, J. Zhang, X. Qi, A high-entropy perovskite titanate lithium-ion battery anode, J. Mater. Sci, 55, 6942 (2020); https://doi.org/10.1007/s10853-020-04482-0.

B. Rożdżyńska-Kiełbik, I. Stetskiv, V. Pavlyuk, A. Stetskiv, Significant improvement of electrochemical hydrogenation, corrosion protection and thermal stability of LaNi4·6Zn0.4-xLix (x ≤ 0.2) solid solution phases due to Li-doping, Solid State Sci. 113, 106552 (2021); https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2021.106552.

I. Stetskiv, V. Kordan, I. Tarasiuk, V. Pavlyuk, Synthesis, crystal structure and physical properties of the TbCo4.5SixLi0.5-x solid solution, Physics and Chemistry of Solid State, 22(3), 577 (2021); https://doi.org/10.15330/pcss.22.3.577-584.

N. O. Chorna, V. M. Kordan, A. M. Mykhailevych, O. Ya. Zelinska, A. V. Zelinskiy, K. Kluziak, R. Ya. Serkiz, V. V. Pavlyuk, Electrochemical hydrogenation, lithiation and sodiation of the GdFe2–XMX and GdMn2–XMX intermetallics, Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, 2, 139 (2021); https://doi.org/10.32434/0321-4095-2021-135-2-139-149.

A. Balińska, V. Kordan, R. Misztal, V. Pavlyuk, Electrochemical and thermal insertion of lithium and magnesium into Zr5Sn3, J. Solid State Electrochem., 19(8), 2481 (2015); https://doi.org/10.1007/s10008-015-2895-7.

G. Kowalczyk, V. Kordan, A. Stetskiv, V. Pavlyuk, Lithiation and magnesiation of R5Sn3 (R = Y and Gd) alloys, Intermetallics, 70, 53 (2016); https://doi.org/10.1016/j.intermet.2015.12.004.

V. Pavlyuk, W. Ciesielski, N. Pavlyuk, D. Kulawik, M. Szyrej, B. Rozdzynska-Kielbik, V. Kordan, Electrochemical hydrogenation of Mg76Li12Al12 solid solution phase, Ionics, 25(6), 2701 (2019); https://doi.org/10.1007/s11581-018-2743-8.

V. Pavlyuk, W. Ciesielski, N. Pavlyuk, D. Kulawik, G. Kowalczyk, A. Balińska, M. Szyrej, B. Rozdzynska-Kielbik, A. Folentarska, V. Kordan, Hydrogenation and structural properties of Mg100-2xLixAlx (x=12) limited solid solution, Mater. Chem. Phys., 223, 503 (2019) https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.11.007.

P. Solokha, S. De Negri, A. Saccone, V. Pavlyuk, B. Marciniak, J. C. Tedenac, Tb2Ni2Mg3: a new structure type derived from the Ru3Al2B2 type, Acta Crystallogr. C Struct. Chem., 63(2), i13-i1631(2007); https://doi.org/10.1107/S0108270107001503.

P. Solokha, S. De Negri, V. Pavlyuk, A. Saccone, G. Fadda, Synthesis and Crystallochemical Characterisation of the Intermetallic Phases La(AgxMg1–x)12 (0.11 ≤ x ≤ 0.21), LaAg4+xMg2–x (–0.15 ≤ x ≤ 1.05) and LaAg2+xMg2–x (0 < x ≤ 0.45), Eur. J. Inorg. Chem., 30, 4811 (2012); https://doi.org/10.1002/ejic.201200700.

V. V. Pavlyuk, I. M. Opainych, O. I. Bodak, T. Palasinska, B. Rozdzynska, H. Bala, Interaction of compounds in La-Ni-Zn system, Pol. J. Chem., 71(3), 309 (1997).

A. I. Horechyy, V. V. Pavlyuk, O. I. Bodak, X-Ray Investigation of the Ce-Cu-Cd System at 570 K, Pol. J. Chem., 73(10), 1681 (1999).

MTech. Retrieved from: http://chem.lnu.edu.ua/mtech/mtech.htm [in Ukrainian].

J. Rodriguez-Carvajal, The Satellite Meeting on Powder Diffraction of the XV Congress of the IUCr (Toulouse, 1990), p. 127.

V. M. Kordan, O. I. Zaremba, P. Yu. Demchenko, V. V. Pavlyuk, Synthesis and Electrochemical Properties of LiyCaxNd1−xMnO3 Solid Solution, Acta Phys. Pol. A., 114(4), 273 (2022); https://doi.org/10.12693/APhysPolA.141.273.