RO133427B1 - Procedeu electrochimic de obţinere a aliajelor snni din lichide ionice pe bază de clorură de colină, utilizabile ca anozi poroşi nanostructuraţi pentru bateriile cu intercalare ionică - Google Patents

Description

I nvenția se referă la un procedeu electrochimie de obținere a unor aliaje nanostructurate poroase de aliaje Sn-Ni, având morfologii care permit inserția de ioni de Li sau Mg pentru utilizare ca anozi în bateriile de tip Li/Mg - ion, utilizând drept electrolit lichide ionice pe bază de clorură de colină, cu impact minim asupra mediului.

Este cunoscută, din cererea de brevet JP 2002129375 (A), o metodă de obținere a unui film de aliaj staniu nichel care include precipitarea unui strat de staniu, urmată de precipitarea unui strat de nichel pentru a forma un film multistrat, urmată de încălzirea multistrat la temperatura predeterminată. Dezavantajul acestui procedeu constă în necesitatea utilizării mai multor etape pe parcursul sintezei.

De asemenea, sunt cunoscute, din brevetul US 6136107, depuneri electrochimice succesive de nichel și staniu, utilizând electroliți apoși de tip clorură, respectiv fluoborat, iar ulterior se aplică o etapă de iradiere laser pentru a forma faza stabilă Ni₃Sn₂ prin difuzia staniului în stratul de nichel.

Sunt cunoscute, din brevetul US 5993994 (A), depuneri electrochimice succesive de nichel și staniu, utilizând electroliți apoși tip clorură, apoi se aplică o etapă de tratament termic în domeniul 300...600°C, timp de 6 h, pentru a forma faze stabile de NiSn și/ Ni₃Sn₂.

Este cunoscut faptul că materialele metalice pe bază de Sn reprezintă, în ultimii ani, alternative atractive pentru fabricarea anozilor în cazul bateriilor fie de tip litiu-ion, fie de tip magneziu-ion, furnizând ulterior capacități de stocare superioare materialelor clasice utilizând electroliți convenționali. De asemenea, utilizarea materialelor pentru anod constituite dintr-un singur element conduc la extindere volumică în timpul încărcării sau a încorporării de cation, ceea ce are drept consecință o stabilitate scăzută în timpul ciclării.

Pentru eliminarea acestui dezavantaj, este recomandabilă construirea anozilor metalici utilizând aliaje binare ale staniului, de exemplu Sn-Ni, al doilea element fiind un element inert care formează o rețea stabilă, stabilizând structura electrodului și îmbunătățind capacitatea de retenție.

Structura și morfologia aliajelor de staniu reprezintă alți factori cu influență asupra performanței electrochimice a electrodului, fiind de obicei recomandabile aliaje nanostructurate cu suprafață specifică/porozitate ridicată, realizabilă prin structuri compuse din nanoparticule sferice, filiforme sau conice [M. Lu, Y. Tian, Y. Li, W. Li, X. Zheng and B. Huang, Synthesis and Characterization of Spherical - Like Tin - Nickel Alloy as Anode for Lithium Ion Batteries, Int. J. Electrochem. Sci., 7 (2012) 760; D. Jiang, X. Ma and Y. Fu, Highperformance Sn-Ni alloy nanorod electrodes prepared by electrodeposition for lithium ion rechargeable batteries, J. Appl. Electrochem., 42 (2012) 555; Z. Du, S. Zhang, Y. Xing and X. Wu, Nanocone-arrays supported tin-based anode materials forlithium-ion battery, J.Power Sources, 196 (2011) 9780],

Un nou sistem electrolitic este cel având la bază lichidele ionice cu o bună stabilitate sub acțiunea apei și a aerului, formate din amestecuri eutectice dintre o sare cuaternară de amoniu, respectiv clorură de 2-hidroxietil-trimetil-amoniu, cunoscută și drept clorură de colină, și un compus capabil de a conduce la formarea unor legături de hidrogen, din clasa amidelor (ureea), alcoolilor (etilenglicol), acizilor carboxilici sau a sărurilor metalice hidratate, cunoscut din US 2004/0097755 A1. Aceste sisteme au un impact minim asupra mediului și prețuri accesibile, fiind în special utilizate pentru electrodepunerea metalelor cu structură nanocristalină.

Problema tehică pe care o rezolvă invenția constă în stabilirea condițiilor optime de electrodepunere a aliajelor nanostructurate poroase de SnNi dintr-un electrolit pe bază de lichide ionice.

RO 133427 Β1

Procedeul, conform invenției, elimină dezavantajele procedeelor cunoscute de electro- 1 depunere din electroliți apoși pe bază de cloruri/floruri sau fluoborați, în care procesul de electrodepunere este limitat de fereastra electrochimică îngustă și de degajarea hidrogenului, prin 3 aceea că se utilizează lichidele ionice pe bază de amestecuri eutectice de săruri cuaternare de amoniu și specii donoare de legături de hidrogen, care sunt reciclabile, biodegradabile, nu afec- 5 tează sănătatea umană și mediul, având o fereastră largă de potențial, stabilitate termică ridicată și presiune de vapori neglijabilă, și constă în aplicarea unui curent continuu constant într-o 7 celulă cu doi electrozi, în care electrolitul este constituit din ILEG, la care se adaugă sărurile metalice hidratate de staniu și nichel cu concentrații în domeniul 0,25...1 M NiCI₂ · 6H₂O și 9

0,25...2 M SnCI₂ · 2H₂O, catodul este reprezentat de o folie de Cu având o grosime de minim 0,1 mm, iar anodul este din titan platinat (Pt/Ti), la densități de curent în domeniul 11 5...20 mA/cm², o temperatură de 6O...8O°C și o durată a procesului de 30...60 min, obținându-se depozite de aliaj cu minimum 60% Sn și maximum 40% Ni (procente de masă), cu un randa- 13 ment catodic de 90...97%), urmată de un atac anodic controlat, utilizând o soluție apoasă de 0,1M HCI și aplicând o densitate de curent de 10 ± 5 mA/cm², timp de 2...5 min, la temperatura 15 camerei.

Procedeul conform invenției prezintă următoarele avantaje: 17

- este ușor de aplicat, în condiții tehnologice accesibile, cu echipamente simple, fără necesitatea supravegherii permanente a procesului; 19

- este un procedeu cu impact minim asupra mediului, ce utilizează reactivi chimici care nu necesită măsuri speciale de manipulare; clorura de colină este un reactiv care aparține 21 chimiei verzi, fiind cunoscută și drept vitamina B4, utilizată ca adaos în hrana pasărilor;

- permite operarea în condiții atmosferice, deoarece aceste sisteme de lichide ionice nu 23 sunt inflamabile, au o presiune de vapori foarte scăzută, sunt stabile sub acțiunea apei și a oxigenului atmosferic, au viscozități comparabile cu cea a apei și conductibilități ionice de până 25 la 0,1 (Ω cm)'¹, nu induc pericole asupra sănătății umane;

- permite obținerea unor aliaje nanostructurate poroase de SnNi cu un randament 27 catodic de depunere de 90...97%, datorită minimizării reacției de degajare a hidrogenului;

- permite obținerea unor aliaje nanostructurate de SnNi cu morfologie poroasă, a căror 29 compoziție este relativ constantă, independent de valoarea densității de curent aplicate;

- permite obținerea unor aliaje nanostructurate poroase de SnNi, având morfologii care 31 permit inserția de ioni de Li sau Mg pentru utilizare ca anozi în bateriile de tip Li/Mg - ion.

Depunerile de aliaje nanostructurate poroase de SnNi astfel obținute au fost carac- 33 terizate din punct de vedere al structurii prin difracție de razeX, al morfologiei și compoziției prin microscopie electronică de baleiaj (SEM) asociată cu analiza elementală EDX și al 35 inserției/dezinserției ionilor de Mg prin voltametrie ciclică, înregistrând voltamogramele într-un electrolit pe bază de amestecuri eutectice de clorură de colină:uree cu un conținut de 0,5 M 37 MgCI₂ · 6H₂O, la temperatura camerei în condiții staționare, față de un contraelectrod de Mg și un electrod de referință din Mg. 39

Se prezintă, în continuare, două exemple nelimitative de realizare a procedeului conform invenției, în legătură cu fig. 1...6, care reprezintă: 41

- fig. 1, difractograma de raze Xa aliajului de SnNi depus electrochimie dintr-un electrolit de tip ILEG conținând concentrații echimolare ale speciilor metalice, respectiv 0,5 M SnCI₂ și 43 0,5 M NiCI₂, la 70°C, timp de 30 min la 10 mA/cm²;

- fig. 2, micrografii SEM pentru aliajele de SnNi electrodepuse din electroliți de tip ILEG 45 având un conținut de săruri metalice de: (a) 0,5 M NiCI₂ + 0,5 M SnCI₂ și (b) 0,67 M SnCI₂ + + 0,33 M NiCI₂, la o temperatură de 70°C, timp de 30 min, aplicând o densitate de curent de 47 10 mA/cm²;

RO 133427 Β1

- fig. 3, spectre EDX evidențiind analiza elementală a depozitelor de aliaj SnNi electrodepuse din electroliți de tip ILEG având un conținut de săruri metalice de: (a) 0,5 Μ NiCI₂ + 0,5 M SnCI₂ și (b) 0,67 M SnCI2 + 0,33 M NiCI₂, la o temperatură de 70°C, timp de 30 min, aplicând o densitate de curent de 10 mA/cm²;

- fig. 4, (a) micrografii SEM pentru aliajele de SnNi electrodepuse din electroliți de tip ILEG conținând concentrații echimolare ale speciilor metalice de Ni și Sn, după aplicarea unui atac anodic controlat cu o densitate de curent de 10 ± 5 mA/cm², într-o soluție apoasă de 0,1 M HCI timp de 2...5 min, la temperatura camerei; (b) analiza EDX a depozitului obținut;

- fig. 5, voltamograme ciclice în electrolit pe bază de eutectic clorură de colină:uree în raport molar 1:2 cu un conținut de 0,5 M MgCI₂ · 6H₂O pentru depozitul de aliaj SnNi: (a) supus etapei de atac anodic controlat conform exemplului 2 și (b) voltamograme comparative între depozitul de aliaj SnNi conform exemplului 1 și exemplului 2 (suprafața electrodului: 0,38 cm²);

- fig. 6, micrografie SEM și spectru EDX evidențiind morfologia și analiza elementală a depozitului de aliaj SnNi după ciclare în electrolit pe bază de amestecuri eutectice de clorură de colină:uree cu un conținut de 0,5 M MgCI₂ · 6H₂O, evidențiind prezența încorporării ionilor de Mg.

Exemplul 1 într-o celulă electrolitică de sticlă cu o capacitate de 250 cm³ se introduc200 ml de lichid ionic format din eutecticul clorură de colină-etilenglicol (1:2 raport molar, notat ILEG), la care se adaugă sărurile metalice hidratate, respectiv NiCI2 · 6H2O și SnCI2 · 2H2O, având concentrațiile conform tabelului. în celula cu amestecul astfel obținut, se introduce un catod sub formă rectangulară din folie de cupru având o grosime de 0,1 mm și dimensiuni 70 x 30 mm, astfel încât, în electrolit, este imersată o suprafață de 18 cm², care a fost pregătit anterior prin degresare în acetonă, spălare cu apă deionizată, decapare în soluție apoasă HNO310%, spălare cu apă deionizată și uscare. Drept contraelectrod (anod), se introduce un electrod din titan platinat, poziționat paralel cu electrodul de cupru, iar raportul suprafețelor anod:catod este de minimum 1:1. Se aplică diferite valori ale densității de curent în domeniul 5...20 mA/cm² pentru durate de depunere între 30...60 min, așa cum este detaliat în tabel.

După terminarea procesului electrochimie, electrodul de cupru cu depunerea de aliaj SnNi este supus operațiilor de spălare cu apă caldă și etanol, după care se aplică o uscare cu aer cald. Grosimea de strat a aliajului SnNi electrodepus se determină prin metoda gravimetrică, cântărind electrodul de cupru înainte și după terminarea procesului electrochimie.

Din tabel se observă că:

- la o concentrație totală a sărurilor metalice de 1 M și un raport molar al speciilor metalice Sn:Ni de 1:1, s-au obținut depuneri metalice, lucioase, aderente și uniforme, la densități de curent cuprinse între 5...20 mA/cm². Grosimea straturilor de aliaj este direct proporțională cu densitatea de curent aplicată și cu durata procesului;

- pentru o concentrație totală a sărurilor metalice de 1 M și un raport molar al speciilor metalice Sn:Ni de 2:1, s-au obținut depuneri metalice, lucioase, aderente, pentru tot domeniul de densități de curent aplicat. Grosimea straturilor de aliaj este direct proporțională cu densitatea de curent aplicată și cu durata procesului, iar creșterea concentrației de Sn nu influențează semnificativ compoziția aliajului electrodepus.

Rezultatele sunt reproductibile pentru probele realizate în condiții similare.

RO 133427 Β1

Compoziția electroliților, parametrii de depunere și caracteristicile finale ale aliajelor SnNi 1

depuse electrochimie, din lichide ionice tip ILEG
Denumire probă	Compoziție electrolit [moli]	Temp [°C]	Densitate de curent [mA/cm2]	Timp electroliză [min]	Grosime de strat [pm]	Compoziție aliaj [% masă]	3 5
	SnCI2 X 2H2O	NiCI2x 6H2O					Sn	Ni	7
SnNi13	0,5	0,5	70 ±2	9,3	30	10,1	67,78	32,22	9
SnNi15	0,5	0,5	70 ±2	5,1	30	5,7	66,68	33,32	11
2SnNi 4	0,67	0.33	70 ±2	10,2	60	19,8	66,97	33,03	13
2SnNi 5	0,67	0,33	70 ±2	5,85	60	13,5	66,5	33,5	15
2SnNi 9	0,67	0,33	70 ±2	17,3	60	34,5	69,01	30,99	17

A naliza prin difracție de raze X a depunerii electrochimice de aliaj SnNi rezultate (fig. 1) 19 evidențiază obținerea unui depozit cu un înalt grad de cristalinitate în care a fost identificată prezența fazei Ni₃Sn₂. Aplicând formula lui Scherer (d = O,9Â/W(Pcos0), unde λ este lungimea 21 de undă a radiației X, θ este unghiul de difracție și β este lățimea integrală a peak-ului) s-a determinat o dimensiune a particulelor de 11...14,5 nm, confirmând formarea unui material 23 metalic nanocristalin. Analiza prin microscopie electronică de baleiaj (SEM) a evidențiat prezența unor particule circulare relativ ordonate, având 300...500 nm diametru care acoperă inte- 25 grai suprafața substratului metalic de cupru, la care se pot identifica ușor limitele de grăunți, ca și a unor pori având un diametru de circa 70 nm (fig. 2). A fost determinată compoziția depo- 27 zitului de aliaj SnNi, utilizând analiza EDX (fig. 3), evidențiindu-se un conținut de 66...69% Sn (procente de masă). 29

Exemplul 2 într-o celulă electrolitică de sticlă cu o capacitate de 250 cm³ se introduc 200 ml de lichid 31 ionic format din eutecticul clorură de colină-etilenglicol (1:2 raport molar, notat ILEG), la care se adaugă sărurile metalice hidratate, respectiv NiCI₂ · 6H₂O și SnCI₂ · 2H₂O, în concentrații 33 echimolare de 0,5 M. în celula cu amestecul astfel obținut se introduce un catod sub formă rectangulară din folie de cupru având o grosime de 0,1 mm și dimensiuni 70 x 30 mm, astfel 35 încât, în electrolit, este imersată o suprafață de 18 cm², care a fost pregătit anterior așa cum a fost precizat în exemplul 1. Drept contraelectrod (anod), se introduce un electrod din titan 37 platinat, poziționat paralel cu electrodul de cupru, iar raportul suprafețelor anod:catod este de minimum 1:1. Se aplică o densitate de curent de 10 mA/cm² timp de 30 min. 39

După terminarea procesului electrochimie, electrodul de cupru cu depunerea de aliaj SnNi se spală cu apă caldă și etanol, se aplică o uscare cu aer cald, după care electrodul astfel 41 pregătit se supune unei etape suplimentare de atac anodic controlat într-o soluție de HCI0,1 M, timp de 2...5 min la temperatura camerei, în condiții staționare. Depozitul de aliaj SnNi astfel 43 obținut evidențiază în micrografia SEM prezența unor pori mai largi, cu un diametru de circa 200...250 nm (fig. 4) și un conținut de Sn mai mic cu 1 ...2% (procente de masă), ceea ce se 45

RO 133427 Β1 materializează printr-o porozitate suplimentară. Electrodul de aliaj SnNi astfel obținut se utilizează pentru determinarea procesului electrochimie de inserție/dezinserție a ionilor de Mg 3 prin voltametrie ciclică, înregistrând voltamogramele într-un electrolit pe bază de amestecuri eutectice de clorură de colină:uree cu un conținut de 0,5 M MgCI₂ · 6H₂O, la temperatura 5 camerei în condiții staționare, față de un contraelectrod de Mg și un electrod de referință din Mg (fig. 5). Pentru comparație, a fost înregistrată și voltamograma ciclică în cazul unui electrod de aliaj SnNi pregătit în condiții similare, însă fără aplicarea etapei de atac anodic. Electrodul de cupru cu depunerea poroasă de aliaj SnNi obținută prin atac anodic prezintă valori ale curentului catodic atribuit procesului de inserție al ionului de Mg, de 190...250 μΑ/cm², mai mari față de electrodul de cupru cu depunere de aliaj SnNi realizată conform exemplului 1, pentru care valorile sunt în domeniul 38...55 μΑ/cm². Creșterea numărului de cicluri determină o creștere a curentului catodic datorat inserției de ioni Mg.

Electrodul de aliaj SnNi preparat conform exemplului 2 se supune la 5 cicluri de încărcare-descărcare la 0,5 mA, 30 min într-un electrolit pe bază de eutectic clorură de colină:uree cu un conținut de 0,5 M MgCI₂ · 6H₂O, după care se verifică integritatea și capacitatea de intercalare a ionului de Mg prin microscopie SEM și analiza EDX (fig. 6). Din determină- rile EDX se constată inserția ionilor de Mg în structura electrodului într-o proporție de 0,51...0,98% Mg (procente de masă).

Claims (2)

1. Revendicări 1

   1. Procedeu electrochimie de obținere a anozilor poroși nanostructurați de aliaj SnNi, 3 caracterizat prin aceea că, prin aplicarea unui curent constant, la densități de curent în domeniul 5...20 mA/cm², la o temperatură de 6O...8O°C și o durată a procesului de 30...60 min, 5 într-un mediu electrolitic cu impact minim asupra mediului, pe bază de amestecuri eutectice clorură de colină-etilenglicol cu raport molar de 1:2, la care se adaugă 0,25...1 M NiCI₂ · 6H₂O 7 și 0,25...2 M SnCI₂ · 2H₂O, se obține la catod un depozit de aliaj SnNi cu un randament catodic de 95...97%, care, prin aplicarea unui atac anodic controlat în 0,1 M HC1, la 10 ± 5 mA/cm², 9 timp de 2...5 min, formează o nanostructură poroasă.
2. 2. Anozi poroși nanostructurați de aliaj SnNi, obținuți conform procedeului de la 11 revendicarea 1, caracterizați prin aceea că au o compoziție este cuprinsă între 60...68% Sn și 32...40% Ni în procente de masă, având pori cu diametrul de 200...250 nm, care asigură 13 inserția/dezinserția ionilor de Mg, cu păstrarea integrității depozitului și se prezintă sub formă de depuneri metalice aderente și uniforme, a căror grosime crește odată cu creșterea densității 15 de curent și a duratei procesului.