Composite Solid Electrolyte Na2SO4–Al2O3

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The effect of adding nanosized γ-Al2O3 on the properties and structure of Na2SO4 was studied using differential scanning calorimetry, vibrational spectroscopy, electrochemical impedance spectroscopy and X-ray diffractometry. It was shown that the introduction of nanosized γ-Al2O3 into sodium sulfate leads to a significant increase in the specific ionic conductivity to 8.48 × 10–5 S/cm at a temperature of 603 K. The results of X-ray diffraction studies and vibrational spectroscopy confirm partial amorphization of the salt in the near-surface region of nanoparticles. The data obtained indicate that the sodium sulfate-based composite can be a promising ionic conductor for solid-state Na-ion batteries in the temperature range of 513–603 K.

About the authors

K. S. Rabadanova

Analytical Center for Collective Use, Institute of Physics, DFRC RAS

Email: rksh83@mail.ru
Makhachkala, Russia

M. M. Gafurova

Analytical Center for Collective Use, Institute of Physics, DFRC RAS

Email: malik52@mail.ru
Makhachkala, Russia

A. M. Amirova

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: muhamadahmedov@mail.ru
Chernogolovka, Russia

D. Yu. Kovalev

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

M. A. Akhmedova

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

M. G. Kakagasanova

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

M. B. Ataeva

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

Z. Y. Kubataeva

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

M. V. Kadieva

A.G. Merzhanov Institute of Structural Macrokinetics and Problems of Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: rksh83@mail.ru
Chernogolovka, Russia

References

  1. Kulova, T.L., Gavrilin, I.M., Skundin, A.M., Kovtushenko, E.V., and Kudryashova, Yu.O., New electrochemical systems for sodium-ion batteries, Russ. J. Phys. Chem. A, 2024, vol. 98 (4), p. 771. https://doi.org/10.1134/s0036024424040150
  2. Guo, Q., Han, S., Lu, Y., Chen, L., and Hu, Y.S., Low-temperature aqueous na-ion batteries: strategies and challenges of electrolyte design, Chin. Phys. Lett., 2023, vol. 40, no. 2, p. 028801. https://doi.org/10.1088/0256-307X/40/2/028801
  3. Wu, F., Liu, L., Wang, S., Xu, J., Lu, P., Yan, W., Peng, J., Wu, D., and Li, H., Solid state ionics – Selected topics and new directions, Prog. Mater. Sci., 2022, vol. 126, p. 100921. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.100921
  4. Xie, F., Lu, Y., Chen, L., and Hu, Y.S., Recent progress in presodiation technique for high-performance Na-ion batteries, Chin. Phys. Lett., 2021, vol. 38, no. 11, p. 118401. https://doi.org/10.1088/0256–307X/38/11/118401
  5. Uvarov, N.F., Ulihin A.S., and Mateyshina, Y.G., Nanocomposite alkali-ion solid electrolytes, Adv. Nanomater. Catal. Energy, 2019, p. 393. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814807-5.00011-5
  6. Goodenough, J.B. and Singh, P., Review – solid electrolytes in rechargeable electrochemical cells, J. Electrochem. Soc., 2015, vol. 162 (14), p. A2387. https://doi.org/10.1149/2.0021514jes
  7. Скундин, А.М., Кулова, Т.Л., Ярославцев, А.Б. Натрий-ионные аккумуляторы (обзор). Электрохимия. 2018. T.54. С. 131. [Skundin, A.M., Kulova, T.L., and Yaroslavtsev, A.B., Sodium-ion batteries (a review), Russ. J. Eleсtrochem., 2018, vol. 54. p. 113.] https://doi.org/10.1134/S1023193518020076
  8. Zhao, S., Che, H., Chen, S., et al., Research progress on the solid electrolyte of solid-state sodium-ion batteries, Electrochem. Energy Rev., 2024, vol. 7(3), p. 196. https://doi.org/10.1007/s41918-023-00196-4
  9. Aslfattahi, N., Samylingam, L., Kiai, M.S., Kadirgama, K., Kulish, V., Schmirler, M., and Said, Z., State-of-the-art review on electrolytes for sodium-ion batteries: Potential recent progress and technical challenges, J. Energy Storage, 2023, vol. 72, p. 108781. https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108781
  10. Kracek, F.C., The polymorphism of sodium sulphate. I: Thermal analysis, J. Phys. Chem., 1929, vol. 33, no. 9, p. 128. https://doi.org/10.1021/j150303a001
  11. Пройдакова, В.Ю., Воронов, В.В., Пыненков, А.А., Кузнецовa, С.В., Зыкова, М.П., Нищев, К.Н., Федоровa П.П. О полиморфизме сульфата натрия. Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. С. 916. [Proydakova, V. Yu., Voronov, V.V., Pynenkov, A.A., Kuznetsov, S.V., Zykova, M.P., Nishchev, K.N., and Fedorov, P.P., Sodium sulfate polymorphism, Russ. J. Inorganic Chemistry, 2022, vol. 67, p. 970.] https://doi.org/10.1134/s0036023622070208
  12. Rasmussen, S.E., Jørgensen, J.-E., and Lundtoft, B., Structures and Phase Transitions of Na2 SO4, J. Appl. Cryst., 1996, vol. 29, p. 42. https://doi.org/10.1107/S0021889895008818
  13. Bobade, S.M., Gopalan, P., and Kulkarni, A.R., Phase transition in Na2SO4: all five polymorphic transformations in DSC, Ionics, 2009, vol. 15, p. 353. https://doi.org/10.1007/s11581-008-0272-6
  14. Karkhanavala, M.D. and Rao, U.R.K., A differential scanning calorimetric study of phase transitions in Na2SO4, J. Thermal Analysis, 1979, vol. 17, p. 457. https://doi.org/10.1007/BF01914034
  15. Murray, R.M. and Secco, E.A., Phase transformation studies on pure and K-doped Na2SO4, Can. J. Chem., 1978, vol. 56, p. 2616. https://doi.org//10.1139/v78-430
  16. Saito, Y., Kobayashi, K., and Maruyama, T., DTA and X-ray studies on the phase transition in un-doped and yttrium-doped sodium sulfates, Thermochim. Acta, 1982, vol. 53, no. 3, p. 289. https://doi.org/10.1016/0040-6031(82)85021-1
  17. Ахмедов, М.А., Гафуров, М.М., Рабаданов, К.Ш., Атаев, М.Б., Амиров, А.М., Кубатаев, З.Ю., Какагасанов, М.Г. Влияние механоактивации на структуру и электропроводность в системе KNO3–Al2O3. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 465. [Akhmedov, M.A., Gafurov, M.M., Rabadanov, R. Sh., Ataev, M.B., Amirov, A.M., Kubataev, Z.Y., and Kakagasanov, M.G., The effect of mechanical activation on the conductivity in the system KNO3–Al2O3, Russ. J. Eleсtrochem., 2023, vol. 59, p. 589.] https://doi.org/10.1134/S1023193523080037
  18. Кубатаев, З.Ю., Гафуров, М.М., Рабаданов, К.Ш., Амиров, А.М., Ахмедов, М.А., Какагасанов, М.Г. Влияние наноразмерного оксидного наполнителя на структуру и проводимость композита (1–x)(LiClO4–NaClO4)–xAl2O3. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 474. [Kubataev, Z.Y., Gafurov, M.M., Rabadanov, K. Sh., Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., and Kakagasanov, M.G., The effect of the nanosized oxide filler on the structure and conductivity of composite (1–x)(LiClO4–NaClO4)–xAl2O3, Russ. J. Eleсtrochem., 2023, vol. 59, p. 598.] https://doi.org/10.1134/s1023193523080050
  19. Gafurov, M.M., Rabadanov, K.S., Ataev, M.B., Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., Shabanov, N.S., Kubataev, Z.Y., and Rabadanova, D.I., Research of the structure and dynamic interactions of particles in the Li0.42K0.58NO3– R (R = α-Al2O3, γ-Al2O3, SiO2) and (LiNO3–LiClO4) – γ-Al2O3 composites in various temperature conditions and phase states, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2021, vol. 257, p. 119765. https://doi.org/10.1016/j.saa.2021.119765
  20. Рабаданов, К.Ш., Гафуров, М.М., Кубатаев, З.Ю., Амиров, А.М., Ахмедов, М.А., Шабанов, Н.С., Атаев, М.Б. Ионная проводимость и колебательные спектры композитов LiNO3–KNO3 + Al2O3. Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 750. [Rabadanov, K.S., Gafurov, M.M., Kubataev, Z.Y., Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., Shabanov, N.S., and Ataev, M.B., Ion conductivity and vibrational spectra of LiNO3–KNO3 + Al2O3 composites, Russ. J. Eleсtrochem., 2019, vol. 55, p. 573.] https://doi.org/10.1134/S1023193519060168
  21. Amirov, A.M., Akhmedov, M.A., Kubataev, Z. Yu., Gafurov, M.M., Rabadanov, K. Sh., and Kadiev, M.V., Effect of lithium perchlorate addition on LiNO3–KNO3 nitrate eutectic, Ionics, 2024, vol. 30, no. 9. https://doi.org/10.1007/s11581-024-05715-x
  22. Choi, B.K. and Lockwood, D.J., Raman spectrum of Na2SO4 (phases I and II, Solid State Commun, 1990, vol. 76, no. 6, p. 863. https://doi.org/10.1016/0038-098(90)90644-Q
  23. Алиев, А.Р., Ахмедов, И.Р., Какагасанов, М.Г., Алиев, З.А. Спектры комбинационного рассеяния поликристаллических сульфатов лития, натрия и калия в предпереходной температурной области ниже структурного фазового перехода. Физика твердого тела. 2019. Т. 61 (8). С. 1513. [Aliev, A.R., Akhmedov, I.R., Kakagasanov, M.G., and Aliev, Z.A., Raman spectra of polycrystalline lithium sulfate, sodium sulfate, and potassium sulfate in the pretransition temperature range lower the structural phase transition, Physics of the Solid State, 2019, vol. 61 (8), p. 1464.] https://doi.org/10.1134/S1063783419080043
  24. Wefers, K. and Misra, C., Oxides and Hydroxides of Aluminum, Pittsburgh: Alcoa Technical Paper, 1987. 92 p.
  25. Paglia, G., Rohl, A.L., Buckley, C.E., and Gale, J.D., Determination of the structure of g-alumina from interatomic potential and first-principles calculations: The requirement of significant numbers of nonspinel positions to achieve an accurate structural model, Phys. Rev. B, 2005, vol. 71, p. 224115. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.224115
  26. Levin, I. and Brandon, D., Metastable alumina polymorphs: crystal structures and transition sequences, J. Amer. Ceram. Soc., 1998, vol. 81, p. 1995. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1998.tb02581.x
  27. Ruberto, C., Yourdshahyan, Y., and Lundqvist, B.I., Surface properties of metastable alumina: A comparative study of κ- and α-Al2O3, Phys. Rev. B, 2003, vol. 67, p. 195412. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.67.195412

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».