Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego Wydział Fizyki PW

59
Sympozjum Wydziału Fizyki 17 kwietnia 2008 Transport ładunku elektrycznego w amorficznych, nanokrystalicznych i kompozytowych przewodnikach elektronowych i jonowych Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego Wydział Fizyki PW

description

Transport ładunku elektrycznego w amorficznych, nanokrystalicznych i kompozytowych przewodnikach elektronowych i jonowych. Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego Wydział Fizyki PW. Motywacja. Cel poznawczy - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego Wydział Fizyki PW

Page 1: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Sympozjum Wydziału Fizyki 17 kwietnia 2008

Transport ładunku elektrycznego w amorficznych, nanokrystalicznych

i kompozytowych przewodnikach elektronowych i jonowych

Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel

Zakład Joniki Ciała Stałego

Wydział Fizyki PW

Page 2: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Motywacja

Cel poznawczyBadanie transportu ładunku elektrycznego w mało poznanych formach fazy skondensowanej

Cel aplikacyjnyZastosowania w urządzeniach do konwersji i magazynowania energii (baterie litowo-jonowe, ogniwa paliwowe, sensory gazowe, superkondensatory)

Sympozjum Wydziału Fizyki 17 kwietnia 2008

Page 3: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Prezentacje

Jerzy E.Garbarczyk

„Nowe nanomateriały i kompozyty oparte na szklistych przewodnikach elektronowych i jonowych”

Wojciech Wróbel

„Korelacja między elektrycznymi i mechanicznymi właściwościami cieczy szkłotwórczych”

Sympozjum Wydziału Fizyki 17 kwietnia 2008

Page 4: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Sympozjum Wydziału Fizyki 17 kwietnia 2008

Novel nanomaterials and composites based on electronic and ionic conductive glasses

Page 5: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Outline

• Advantages and disadvantages of ionic and electronic conductive

glasses

• Novel nanomaterials based on lithium-vanadate-phosphate (LVP)

glasses

• Novel nanomaterials based on lithium-iron-phosphate (LFP)

glasses

• Novel composites based on ionically conductive glasses

• Summary

Page 6: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Advantages and disadvantages of conductive glasses

Advantages simple processing possibility of forming various shapes isotropy and homogeneity absence of grain boundaries high ionic conductivity at room temperature

(up to 10-2 S/cm for AgI – based conducting glasses) high electronic conductivity at above 300ºC (up to 10-3 S/cm for vanadia – rich glasses)

inherent ability to nanocrystallization (this study) possibility of considerable modification of the composition and electrical properties

Page 7: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Example: vanadia-based glasses

V2O5 – main glass former, source of electronic conduction via V4+ → V5+ hopping of small polarons

P2O5 – supporting glass formerLi2O – glass modifier, source of mobile Li+ ionsAg2O – glass modifier, source of mobile Ag+ ionsAgI – dopant, main source of mobile Ag+ ions

Mixed ionic-electronic conductivity in systems: Li2O - V2O5 - P2O5 (Li+/e-)AgI - Ag2O - V2O5 - P2O5 (Ag+/e-)

Page 8: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 9: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 10: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 11: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 12: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport

in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 13: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport

in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 14: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 15: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

or

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

Page 16: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Model of the electrical charge transport in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

or

Page 17: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Isotherms of the total electrical conductivity in Li2O-V2O5-P2O5 glasses

V2O5-rich glasses

ionic

electronic

mixed

P.Jozwiak, J.Garbarczyk, Solid State Ionics 176 (2005) 2163

H.Takahashi, T.Karasawa, T.Sakuma,J.E.Garbarczyk, ICPSSI-2, Yokohama, 2007

Page 18: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Total electrical conductivity at 100°C vs. composition in AgI-Ag2O-V2O5-P2O5 glasses

J.E.Garbarczyk, P.Machowski et al.Mol.Phys.Rep. 35 (2003) 139.

electronic

ionic

Page 19: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Total electrical conductivity at 100°C vs. composition in AgI-Ag2O-V2O5-P2O5 glasses

electronic

ionic

electronic

ionic

J.E.Garbarczyk, P.Machowski et al.Mol.Phys.Rep. 35 (2003) 139.

Page 20: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Advantages and disadvantages of conductive glasses (cont.)

Disadvantages

metastability composition and structure less known than those of the crystalline

materials low glass transition temperature of the best ion conductive glasses

(for AgI-doped glasses 60°C < Tg < 100°C) low fracture toughness moderate electronic conductivity at 20°C of glassy cathode materials

Page 21: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Aims of our studies

preparation of new nanomaterials derived from conductive glasses exhibiting better electrical properties and thermal stability than the initial glasses

preparation of new glassy-crystalline composites exhibiting improved mechanical properties compared to the glasses

Page 22: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Novel nanomaterials based on lithium-vanadate-phosphate (LVP) glasses

It is known that nanostructured materials exhibit attractive properties, often dramatically different than those of the crystalline or amorphous counterparts.

Effect of nanocrystallization on ionic conductivity St. Adams, K.Hariharan, J.Maier, Solid State Ionics 86-88 (1996) 503.

AgI-rich glasses of the system AgI-Ag2O-MxOy

Effect of nanocrystallization on electronic and mixed conductivity

J.E.Garbarczyk, P.Jozwiak et al. Solid State Ionics 175 (2004) 691.

V2O5-rich glasses of the system Li2O-V2O5-P2O5

a) 15Li2O·70V2O5· 15P2O5

b) 90V2O5· 10P2O5

Page 23: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

DSC

Nanocrystallization of the90V2O5∙10P2O5 glass

Page 24: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM picture of a 90V2O5∙10P2O5 sample

after nanocrystallization at Tc ≈ 340°C

Page 25: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM picture of a 90V2O5∙10P2O5 sample

after nanocrystallization at Tc ≈ 340°C

20 nm

visible nanocrystallites of V2O5 covered by a glassy phase

Page 26: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM picture and XRD pattern of a 90V2O5∙10P2O5

sample after massive crystallization at 540°C

● - orthorhombic V2O5

Page 27: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM picture of a 90V2O5∙10P2O5 sample after massive crystallization at 540oC (another fragment)

orthorhombic V2O5 crystallites

Page 28: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Discussion of the results on vanadia-based nanomaterials

Mott theory of electron hoppingMott theory of electron hopping in disordered systems in disordered systems

0 expe ee

ET

T kT

R – average distance between hopping centers

C – fraction of hopping sites occupied by electrons

N – concentration of hopping centres – inverse localization length of the electron

wave function

rp – radius of a small polaron

2e mR

for T > / 2

– Debye temperature

2

0

1exp 2e e

e C CR

kR

1 3R N

4+

4+ 5+

V

V + VC

0 1

pe

rE W

R

Page 29: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Discussion of the results on vanadia-based nanomaterials

Samples after nanocrystallization

V2O5

20 nm

Page 30: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Discussion of the results on vanadia-based nanomaterials

Samples after nanocrystallization

V2O5

20 nm

higher concentration of

V4+ -V+5 pairs

Page 31: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Discussion of the results on vanadia-based nanomaterials

Samples after nanocrystallization

„Easy conduction paths” – interface regions between nanocrystallites and glassy phase.Higher concentration of V4+-V5+ pairs in these regions than inside grains.

V2O5

20 nm

high concentration of

V4+ -V+5 pairs

easy conduction path

+

Page 32: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Discussion of the results (cont.) Sample after massive crystallization

There is no intermediate glassy phase. The electrical transport between grains is partly blocked by the presence of grain boundaries.

Page 33: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Novel nanomaterials based on lithium-iron-phosphate (LFP) glasses

Crystalline lithium-iron-phosphates (olivines)

Nanocrystallization of glassy samples - SEM

Cooperation with Prof. Christian Julien, Univ. P.et M.Curie, Paris, France(local structure)

A.Ait Salah, P.Jozwiak, J.Garbarczyk, Ch.Julien et al.Journal of Power Sources 140 (2005) 370.

Page 34: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Związki interkalowane - przykłady

Oliwiny i związki pokrewne

Page 35: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Crystalline lithium-iron-phosphates

Crystalline olivine-type phases - LiFePO4 and FePO4 as well as LixFePO4 solid solutions - are under intensive studies worldwide as the most competitive cathode materials for Li-ion rechargeable batteries.

These cathode materials are: • highly stable (thermally and electrochemically),• inexpensive,• environment – friendly.

Furthermore they exhibit:• high specific capacity (170 mAh/g),• high discharge voltage (3.5 V vs. Li).

Page 36: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Crystalline lithium-iron-phosphates

Crystalline olivine-type phases - LiFePO4 and FePO4 as well as LixFePO4 solid solutions - are under intensive studies worldwide as the most competitive cathode materials for Li-ion rechargeable batteries.

These cathode materials are: • highly stable (thermally and electrochemically),• inexpensive,• environment – friendly.

Furthermore they exhibit:• high specific capacity (170 mAh/g),• high discharge voltage (3.5 V vs. Li).

Unfortunately they have one serious deficiency – very low electrical conductivity - ca. 10-10 S·cm‑1 at 25°C.

Page 37: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Crystalline olivines (cont.)

Many efforts have been undertaken to improve their electrical properties by:

• introduction of carbon additives, • doping with supervalent cations,• various synthesis routes.

Our alternative approach – nanocrystallization of glassy analogs of olivines:

• step 1: preparation of vitreous analogs of these materials,• step 2: turning these glasses into nanomaterials by an

appropriate thermal treatment.

Page 38: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Electrical properties after partial nanocrystallization (sample of x = 0)

Page 39: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM picture after partial nanocrystallization for sample of x = 0

Page 40: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Electrical properties after partial nanocrystallization (sample of x = 0.4)

σt(530°C)=1.1∙10-2 S/cm

σt(50°C)= 1.8∙10-8 S/cm

σt(50°C)=7.6∙10-8 S/cm

≈ 4 times

Page 41: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM micrograph after crystallization for sample of x = 0.4

Page 42: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM micrograph after crystallization for sample of x = 0.4

Page 43: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Novel composites based on ionically conductive glasses

Motivation

Ag+ - ion conductive glasses exhibit high electrical conductivity (up to 10-2 S·cm-1 at 25°C), but some of their mechanical properties may cause problems with samples machining (e.g. cutting and polishing) and limit eventual prospective applications.

In order to minimize this drawback we propose new composites based on silver-ion conductive glasses.

Page 44: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Novel composites based on ionically conductive glasses (cont.)

Glassy components:

AgI-Ag2O-B2O3

AgI-Ag2O-P2O5

AgI-Ag2O-V2O5

Ceramic powder components: Diamond (1-2 µm)

-Al2O3 (2 µm)

ZrO2 (1 and/or 10 µm)

Composites prepared in 50 - 50 % vol fractions

B2O3, P2O5, V2O5 – glass formersAg2O – glass modifierAgI – dopant

Page 45: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

High-pressure route of preparation of the composites

Facility at the Institute of High Pressure Physics, Polish Academy of Sciences, Warsaw

com pactedglass pow dercom pactedceram ic pow der

graphiteheater

Page 46: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

High-pressure route of preparation of the composites (cont.)

100-200°C

com pactedglass pow dercom pactedceram ic pow der

graphiteheater

Pressure

Pressure

Temperature

100-250°C

3-8 GPa

Page 47: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM and XRD studies

Obrazek SEM(fosforanowe z diamentem, boranowe z alumina)

Glass: 40AgI·30Ag2O·30P2O5

Diamond powder (1-2 m)Synthesis: p = 3 GPa, T = 250°C

as-prepared after annealing at 200°C

M.Zgirski, J.Garbarczyk et al., Solid State Ionics, 176 (2005) 2141

Page 48: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM studies (cont.)

50AgI·33Ag2O·17B2O3 : -Al2O3 (2 m) - a phase view

Al2O3

Al2O3

Glass

Page 49: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

SEM studies (cont.)

55AgI·30Ag2O·15B2O3 : ZrO2 (1 m) - a phase view

ZrO2

Page 50: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Electrical properties of compositesabove room temperature

40AgI·30Ag2O·30P2O5 : diamond

200=1.6·10-2 S·cm-1

27=1·10-4 S·cm-1

E=0.34 eV

E=0.54 eV

Tg

glass

Page 51: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

4 6 8 10 12-15

-10

-5

0

Glass50AgI·33Ag

2O·17B

2O

3

glass

E = 0.30 eV

E = 0.30 eV

Composite 50AgI·33Ag

2O·17B

2O

3 + Al

2O

3 (2 m)

Synthesis: T = 100°C, p = 7.7 GPa

log(T

/ S

·cm

-1K

)

1000 K / T

composite

40 0 -40 -80 -120 -160

t / °C

Electrical conductivity of compositesat low temperatures

M.Foltyn, M.Wasiucionek, J.E.Garbarczyk et al.., Solid State Ionics, 179 (2008) 38

Page 52: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Mechanical properties - Vickers microhardness

40 45 50 55 60

100

150

200

250

mic

roha

rdne

ss [k

G·m

m-2]

x [%mol]

xAgI·(100-x)(0.67Ag2O·0.33B2O3)

composites (with -Al2O3)

glasses

Page 53: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Electrical properties of composites (cont.)

Lower specific conductivity of the composites can be compensated by a possibility of preparing thinner samples.

Mechanically sound membranes of ca 100 m thickness can be fabricated.

sheet of paper - edge

composite 1. (ca 100 m)

composite 2. (ca 300 m)

Page 54: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Summary

Conductive glasses can be promising starting materials to prepare attractive composites and nanostructured materials.

The annealing of the V2O5 – rich glasses (LVP) to Tc leads to their nanocrystallization.

The resulting nanomaterials exhibit much higher electronic conductivity (10-1 S/cm at 300ºC), lower activation energy and better thermal stability than the initial glasses.

Page 55: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Summary (cont.)

Electrical properties of lithium-iron-phosphate (LFP) glasses are similar to crystalline olivines.

It was found that thermal nanocrystallization of LFP glasses leads to the conductivity enhancement,

Page 56: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Summary (cont.)

Electrical properties of lithium-iron-phosphate (LFP) glasses are similar to crystalline olivines.

It was found that thermal nanocrystallization of LFP glasses leads to the conductivity enhancement,

...therefore it seems to be a promising way for electrical conductivity improvement of amorphous lithium-iron-phosphates.

A prospective high-pressure method was used to produce silver ion conductive composites based on AgI – doped glasses with good electrical and mechanical properties.

Page 57: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Zespół badawczy

Marek Wasiucionek

Paweł Jóźwiak

Jan L.Nowiński

Marek Foltyn

Irena Gorzkowska – Wydział Chemiczny PW

Bogdan Pałosz – Unipress (IWC PAN)

Stanisław Gierlotka – Unipress (IWC PAN)

Page 58: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

R. Bacewicz, M. Wasiucionek, A. Twaróg, J. Filipowicz, P. Jóźwiak, J.E. Garbarczyk, J. Mat. Sci. 40 (2005) 4267-4270.

Page 59: Jerzy E.Garbarczyk, Wojciech Wróbel Zakład Joniki Ciała Stałego  Wydział Fizyki PW

Electrical properties of composites above room temperature

40AgI·40Ag2O·20B2O3 : -Al2O3

M.Foltyn, M.Wasiucionek, J.Garbarczyk et al.J.Power Sources 173 (2007) 795

=1.6·10-2

=2.5·10-3