СИНТЕЗ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИКИ (Na,M)0,55CoO2 (M = Li, K, Cs)

, ,

Белорусский государственный технологический университет
г. Минск, ул. Свердлова, 13а, kns121@rambler.ru

В данной работе синтезирована керамика (Na,M)0,55CoO2 (M = Li, K, Cs), изучено влияние катионного состава на ее тепловое расширение и термоэлектрические свойства.

Слоистый кобальтит натрия характеризуется высокими значениями электропроводности и термо-ЭДС и низкой теплопроводностью, что позволяет рассматривать его как перспективную основу для разработки новых эффективных термоэлектрических материалов. Термоэлектрические свойства NaxCoO2 могут быть улучшены при увеличении содержания в нем натрия, а также при частичном замещении катионов в его структуре. Поэтому целью настоящей работы явилось получение керамики (Na,M)0,55CoO2 (M = Li, K, Cs) и изучение влияния катионного состава на ее тепловое расширение и термоэлектрические свойства.

Образцы состава Na0,55–xMxCoO2 (M = Li, K, Cs; x = 0,18; 0,28; 0,37; 0,46) получали из Na2CO3, Li2CO3, K2CO3, CsNO3 и Co3O4 на воздухе в интервале температур 1133–1203 К твердофазным методом.

Полученная керамика была неоднофазной: на дифрактограммах порошков (Na,M)0,55CoO2 кроме рефлексов кобальтита натрия (γ–NaxCoO2) наблюдали рефлексы других фаз, которые были идентифицированы как LiCoO2, KCoO2, Cs2CoO3 для M = Li, K, Cs соответственно.

Кажущаяся плотность керамики (Na,M)0,55CoO2 изменялась в пределах 2,80–3,78 г/см3 и, в целом, была меньше, чем для базовой фазы Na0,55CoO2 (3,64 г/см3), при этом наименьшее значение плотности имела керамика (Na,K)0,55CoO2. На основании результатов измерения плотности и РФА можно сделать заключение о том, что пористость гетерогенной керамики (Na,M)0,55CoO2 (за исключением образца Na0,09Li0,46CoO2) больше, чем однофазного кобальтита натрия, причем наибольшие значения пористости демонстрируют образцы (Na,K)0,55CoO2.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Зависимости Δl/l0 = f(T) для керамики (Na,M)0,55CoO2 были практически линейными, а значения ее КЛТР изменялись в пределах (11,1–14,9)·10–6 К–1; наиболее высокими значениями КЛТР характеризуется керамика (Na,K)0,55CoO2, что, по всей видимости, обусловлено ее высокой пористостью.

Проводимость (Na,Li)0,55CoO2 носила полупроводниковый (s/T > 0), а (Na,K)0,55CoO2 и (Na,Cs)0,55CoO2 – металлический характер (s/T < 0), при этом, в целом, величина электропроводности керамики (Na,M)0,55CoO2 (M = Li, Cs) была выше, а (Na,K)0,55CoO2 ниже, чем для кобальтита натрия Na0,55CoO2.

Величина термо-ЭДС образцов во всем интервале температур была положительна, из чего можно заключить, что образцы (Na,M)0,55CoO2, как и фаза Na0,55CoO2, являются полупроводниками p-типа. Термо-ЭДС керамики (Na,M)0,55CoO2 была, в целом, выше, чем для кобальтита Na0,55CoO2 (за исключением состава Na0,37K0,18CoO2 и образцов (Na,Cs)0,55CoO2 при температурах ниже 580 К), что обусловлено неоднофазностью образцов.

Значения фактора мощности керамики (Na,M)0,55CoO2 возрастали при увеличении температуры и были выше, чем для базовой фазы Na0,55CoO2. При этом наибольшие значения фактора мощности при высоких температурах демонстрировала керамика состава Na0,09Li0,46CoO2 и Na0,27K0,28CoO2 – соответственно 268 и 361 мкВт·м–1·К–2 при 1100 К, что обусловлено высокими значениями термо-ЭДС этих образцов. Таким образом, введение оксидов щелочных металлов (Li2O, K2O) в керамику на основе слоистого кобальтита натрия Na0,55CoO2 улучшает ее термоэлектрические свойства, что позволяет использовать данные материалы на практике при разработке новых оксидных термоэлектриков с улучшенными функциональными характеристиками.