твердый электролит для электрохимических устройств

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.

Описание изобретения к патенту

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)A₂OxA₂O2SiO₂(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 Омсм при 300^oC, 10⁵ 10¹⁰ Омсм при 150^oC, что ограничивает их практическое применение.

Известен также со-катионный твердый электролит семейства -глинозема, имеющий состав 1,2 (I-x)K₂Ox A₂OIIFe₂O₃ (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 Омсм при 300^oC и 5 100 Омсм 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.