Otimização da condutividade iônica de vitrocerâmicas condutoras por íon sódio: controle microestrutural e busca de novas composições
| Ano de defesa: | 2020 |
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Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos |
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Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
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Resumo: | Sodium-based materials are promising candidates for manufacturing stationary storage devices such as batteries due to their low cost and the Na high redox potential. However, the corrosion, flammability, and the degradation of cell components in sodium-ion batteries caused by the high operating temperatures may be listed as disadvantages of these devices. A possible solution to these problems is to optimize the ionic conductivity of the solid electrolyte. In this work, two methods were adopted to improve the ionic conductivity of NASICON (Na-Super Ionic Conductor) solid electrolytes. The first one focused on the substitution Si4+/P5+ in the unprecedented Na1+yTi2SiyP3-yO12 (NTSP) and Na2+yAlTiSiyP3-yO12 (NATSP) series, which allows the introduction of extra Na+ ions. In the second method, Na2AlTi(PO4)3 (NATP) and Na1.8Al0.8Ge1.2(PO4)3 (NAGP) glass-ceramics with different grain sizes were obtained to establish a correlation between microstructure and ionic conductivity. For the NTSP glass-ceramics, it was observed that the inclusion of Si4+ ions in the NASICON structure promoted an increase of up to four orders of magnitude in the total conductivity. The formation of a highly conductive phase was also seen in the compositions with a high content of silicon. In the NATSP series, there was no evidence of a Si4+/ P5+ substitution since the expansion of the unit cell was not observed. This behavior was attributed to the high tendency of precursor glasses towards phase separation. Regarding the NATP and NAGP glass-ceramics, materials with average grain size from the order of nanometers to micrometers were obtained. Therefore, it was demonstrated that the glass-ceramic method is suitable to obtain materials with controlled microstructure. The microstructural variation caused an increase of up to two times in total ionic conductivity. Thus, it was concluded that aliovalent substitutions promote greater increases in ionic conductivity of NASICON materials than those obtained by changes in the grain size. |
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Muñoz, Adriana Marcela NietoRodrigues, Ana Candida Martinshttp://lattes.cnpq.br/4499231813051400http://lattes.cnpq.br/901834809296120847e5200b-d878-45dd-9dea-eb2f40b985ac2020-04-27T12:41:19Z2020-04-27T12:41:19Z2020-04-03MUÑOZ, Adriana Marcela Nieto. Otimização da condutividade iônica de vitrocerâmicas condutoras por íon sódio: controle microestrutural e busca de novas composições. 2020. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2020. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/12472.https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/12472Sodium-based materials are promising candidates for manufacturing stationary storage devices such as batteries due to their low cost and the Na high redox potential. However, the corrosion, flammability, and the degradation of cell components in sodium-ion batteries caused by the high operating temperatures may be listed as disadvantages of these devices. A possible solution to these problems is to optimize the ionic conductivity of the solid electrolyte. In this work, two methods were adopted to improve the ionic conductivity of NASICON (Na-Super Ionic Conductor) solid electrolytes. The first one focused on the substitution Si4+/P5+ in the unprecedented Na1+yTi2SiyP3-yO12 (NTSP) and Na2+yAlTiSiyP3-yO12 (NATSP) series, which allows the introduction of extra Na+ ions. In the second method, Na2AlTi(PO4)3 (NATP) and Na1.8Al0.8Ge1.2(PO4)3 (NAGP) glass-ceramics with different grain sizes were obtained to establish a correlation between microstructure and ionic conductivity. For the NTSP glass-ceramics, it was observed that the inclusion of Si4+ ions in the NASICON structure promoted an increase of up to four orders of magnitude in the total conductivity. The formation of a highly conductive phase was also seen in the compositions with a high content of silicon. In the NATSP series, there was no evidence of a Si4+/ P5+ substitution since the expansion of the unit cell was not observed. This behavior was attributed to the high tendency of precursor glasses towards phase separation. Regarding the NATP and NAGP glass-ceramics, materials with average grain size from the order of nanometers to micrometers were obtained. Therefore, it was demonstrated that the glass-ceramic method is suitable to obtain materials with controlled microstructure. The microstructural variation caused an increase of up to two times in total ionic conductivity. Thus, it was concluded that aliovalent substitutions promote greater increases in ionic conductivity of NASICON materials than those obtained by changes in the grain size.Materiais baseados no sódio são candidatos promissores para a fabricação de dispositivos de armazenamento estacionário como baterias. No entanto, a corrosão, inflamabilidade e altas temperaturas de operação são alguns dos problemas que promovem a degradação dos componentes das baterias Na+. O emprego de novos eletrólitos sólidos e/ou a otimização das suas propriedades elétricas são soluções factíveis a esses inconvenientes. Neste trabalho são analisados dois métodos para melhorar a condutividade iônica de eletrólitos sólidos NASICON (Na-Super Ionic Conductor) sintetizados pela rota vitrocerâmica. O primeiro deles consistiu na substituição aliovalente P5+/Si4+ nas séries inéditas Na1+yTi2SiyP3-yO12 (NTSP) e Na2+yAlTiSiyP3-yO12 (NATSP). O segundo método, tratou da obtenção de vitrocerâmicas Na2AlTi(PO4)3 (NATP) e Na1.8Al0.8Ge1.2(PO4)3 (NAGP) com diferentes tamanhos de grão. Na série NTSP evidenciou-se um aumento na condutividade total de até quatro ordens de grandeza promovido pelo aumento da densidade de íons Na+ e pela expansão da estrutura NASICON. Além disso, foi observada a formação de uma nova fase altamente condutora. No sistema NATSP, notou-se que a substituição P5+/Si4+ não foi efetiva e não houve otimização das propriedades elétricas. Este comportamento foi atribuído à alta tendência à separação de fase dos vidros precursores e à cristalização parcial das amostras. Em relação às vitrocerâmicas NATP e NAGP, obtiveram-se materiais com tamanhos de grão desde a ordem dos nanômetros até dos micrometros, demonstrando-se, portanto, que o método vitrocerâmico é adequado para o controle microestrutural. A caracterização elétrica dessas composições revelou um incremento na condutividade total de até duas vezes com o aumento do tamanho de grão. É assim que nessa tese foi demonstrado que substituições com íons aliovalentes em materiais NASICON promovem maiores aumentos na condutividade iônica total do que aqueles obtidos pela variação do tamanho de grão.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)CNPq:141220/2016-3FAPESP:2013-07793CAPES: código de financiamento - 001porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessNASICONEletrólito sólidoVitrocerâmicaÍon sódioSolid-electrolyteGlass-ceramicSodium ionENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICAOtimização da condutividade iônica de vitrocerâmicas condutoras por íon sódio: controle microestrutural e busca de novas composiçõesOptimización de la conductividad iónica de vitrocerámicas conductoras por ión sodio: control microestructural y búsqueda de nuevas composicionesOptimization of ionic conductivity in Na+ conductive glass-ceramics: microstructural control and new compositionsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis600600901b2e03-1fc6-4525-8d1a-d61ea51a9dc4reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdfAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdfTese de doutorado versão finalapplication/pdf8772932https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/9da5a063-9e6f-436d-a973-145a83362f39/downloadc77b8135644bcd815a8d6d6751c832b9MD51trueAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento.pdfCarta comprovante assinada pela orientadoraapplication/pdf244108https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/fd2c738b-a055-434e-82f0-6086aa3cee98/download752048143af05328cff6eee44f469b1cMD52falseAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/52a732d5-9267-4d30-993a-098dbcc15bb6/downloade39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53falseAnonymousREADTEXTAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdf.txtAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain246374https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/659c3422-463d-4031-99f8-0c3f077e7232/download64cdf7a122b36d5712a550d0736abe9fMD57falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.txtExtracted texttext/plain2https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/8cb7d5f1-ecc5-4d05-9321-83ca92929eda/downloade1c06d85ae7b8b032bef47e42e4c08f9MD510falseAnonymousREADTHUMBNAILAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdf.jpgAdriana Marcela Nieto Muñoz - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg3982https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/ca487383-7f2a-476e-9eb2-d6e00a08e922/downloadc799c657524de2d35376f37bc9e5cbe9MD58falseAnonymousREADBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg11915https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/d81d494e-548f-471f-81cc-5882f9014d4b/downloadf2e3d188d98d065a79154d9b1bada6e1MD59falseAnonymousREAD20.500.14289/124722025-02-05 19:24:39.742http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/12472https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-02-05T22:24:39Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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