Труды КНЦ (Технические науки вып. 1/2024(15))

Введение В настоящее время на рынке широко представлены различные электрохимические устройства хранения энергии, основными из которых являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), к преимуществам которых относят: высокое напряжение единичного элемента — 4,2 В; удельную энергоёмкость — до 270 Втч/кг; число циклов заряд-разряд до снижения ёмкости; низкий саморазряд; ток нагрузки; диапазон рабочих температур от -2 0 до +60 °C. При этом к главным недостаткам ЛИА, можно отнести пожароопасность (взрывоопасность) и высокую стоимость производства вследствие использования таких дорогих элементов, как литий и кобальт. Однако на данный момент в области портативной электроники ЛИА пока не имеют равнозначных альтернатив. В связи с этим одной из актуальнейших задач является поиск новых материалов для электродов и электролитов, а также материалов для создания новых типов металл-ионных аккумуляторов (МИА). За последние десятилетия возник особый интерес к МИА, в которых рабочим ионом будет являться высоковалентный катион. Одним из первых был магний-ионный аккумулятор, подробно описанный в работе группы Дорона Аурбаха [1]. К основным преимуществам таких аккумуляторов относят высокую теоретическую ёмкость, дешевизну и безопасность. Объёмная ёмкость мультивалентных катодных материалов существенно выше, чем литиевых (в ~2,5 раза для магниевых и цинковых) [2], а стоимость ниже более чем в 50 раз. Составными частями МИА также являются кристаллические электроды (катод/анод) и электролит. Последние тенденции исследователей направлены на поиск и создание полностью твердотельного аккумулятора, обладающего твёрдым электролитом, что позволит создать эффективные и безопасные источника тока. К таким материалам можно отнести Zn-ферриты, а именно феррит шпинели ZnFe 2 O 4 , в качестве катодного материала, который относится к нетрадиционным керамическим материалам с уникальными свойствами, такими как химическая и термическая стабильность и пониженная токсичность Zn по сравнению с другими металлами [3]. Уже сейчас ZnFe 2 O 4 широко используется в магнитных системах хранения данных, мобильной связи 5G, суперконденсаторах и в устройствах для разложения воды при производстве водорода [3]. Целью данной работы являлся синтез и исследование свойств феррита шпинели ZnFe 2 O 4 как перспективного катодного материала. Результаты исследований Керамические образцы синтезировались по классической керамической технологии в две стадии: на первом этапе осуществлялся синтез, на втором проводилось спекание керамики. Размол, измельчение и тщательное перемешивание реакционной смеси помогает образованию конечного гомогенного продукта. При синтезе использовались только оксиды ZnO и Fe 2 O 3 особо чистых (о. с. ч.) марок. На начальном этапе исходные реактивы прокаливали для удаления адсорбированной воды и лишь затем выполнялось взвешивание, измельчение с дальнейшим смешиванием. Помол и смешение реакционной смеси осуществлялся механоактивационным способом с помощью планетарной мельницы Активатор-2 SL. Время процесса механоактивации составило 30 мин. Синтез проводился в муфельной печи в диапазоне температур 700-900 °С в течение 1 ч. Рентгенофазовый анализ выполнялся с помощью многофункционального рентгеновского дифрактометра Rigaku MiniFlex 600 (CuKa-излучение) с программным обеспечением SmartLab Studio II (RIGAKU Япония), предназначенного для проведения качественного и количественного фазового анализа поликристаллических материалов. Программное обеспечение прибора позволяет определять размер кристаллитов и уровень искажений кристаллической решётки, уточнять параметры решётки и проводить уточнение структуры материала методом Ритвельда. Для идентификации фаз использовали базы данных ICDD, PDF-4+ 2021. Электрофизические свойства изучали методом импеданс-спектроскопии с помощью прецизионного импеданс-метра Matrix MCR-9010. Для проведения измерений использовались графитовые электроды. Измерения комплексного импеданса Z осуществлялись в диапазоне частот 10 -10 7 Гц при комнатной температуре. Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2024. Т. 15, № 1. С. 147-153. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2024. Vol. 15, No. 1. P. 147-153. © Дубровина В. Н., Ефремов В. В., Ахметов О. И., Шичалин О. О., 2024 148