Фазовые равновесия в системе Sn–As–Sb при концентрации олова менее 50 мол.%

Аннотация

Сплавы на основе олова и сурьмы, в том числе SnSb и некоторые другие соединения типа AIVBV, применяются для изготовления анодов Li+- и Na+-ионных батарей. Использование  ногокомпонентных твердых растворов позволяет варьировать свойства материала и улучшать технические характеристики анодов. В литературе очень мало информации о твердофазной растворимости в системе Sn–As–Sb, фазовая диаграмма этой системы не изучена.
Цель работы заключалась в исследовании политермических сечений SnAs–Sb и SnAs–SnSb с помощью методов рентгенофазового анализа (РФА) и дифференциального термического анализа (ДТА) и построении схемы фазовых равновесий в системе Sn–As–Sb в области концентраций олова менее 50 мол.%. Сплавы политермических разрезов SnAs–Sb и SnAs–SnSb получали из предварительно синтезированных бинарных соединений, подвергали гомогенизирующему отжигу и исследовали с помощью методов дифференциального термического анализа (ДТА) и рентгенофазового анализа (РФА) порошкообразных образцов. Результаты РФА показали, что все исследованные сплавы представляют собой гетерофазную смесь твердых растворов (SnAs), (SnSb) и a¢, где a¢ – твердый раствор олова в фазе As_1–xSb_x. Протяженность твердых растворов на основе бинарных соединений при комнатной температуре менее 10 мол.%. Для нескольких сплавов двух разрезов методом
ДТА установлена одинаковая температура начала первого эндотермического эффекта (393±2 oС), которая отвечает протеканию перитектического процесса с участием указанных выше фаз: L+ a¢ ↔ (SnAs) + (SnSb). Методом ДТА с учетом данных РФА построены Т–х диаграммы политермических разрезов SnAs–Sb и SnAs–SnSb. Установлены координаты нонвариантного перитектического равновесия L+ a¢ ↔ (SnAs) + (SnSb); предложена схема фазовых равновесий в системе Sn–As–Sb в области концентраций олова менее 50 мол.%. Для построения полной схемы фазовых равновесий в тройной системе необходимо дальнейшее исследование разрезов SnAs–Sn₄Sb₃ и Sn₄As₃–Sn₄Sb₃

ЛИТЕРАТУРА

1. Hu Y., Lu Y. 2019 Nobel Pprize for the Li-ion batteries and new opportunities and challenges in Na-ion batteries. ACS Energy Letters. 2019;4(11): 2689–2690. DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b02190
2. Song K., Liu C., Mi L., Chou S., Chen W., Shen C. Recent progress on the alloy-based anode for sodiumion batteries and potassium-ion batteries. Small. 2019;334: 1903194. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201903194
3. Kulova T. L., Skundin A. M.. From lithium-ion to sodium-ion battery. Russian Chemical Bulletin. 2017;66(8): 1329–1335. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.20190319410.1007/s11172-017-1896-3
4. Jing W. T., Yang C. C., Jiang Q. Recent progress on metallic Sn- and Sb-based anodes for sodium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A. 2020; Advance Article. DOI:
   https://doi.org/10.1039/C9TA11782B
5. Kamali A. R., Fray D. J. Tin-based materials as advanced anode materials for lithium ion batteries: a review. Reviews on Advanced Material Science. 2011;27: 14–24. Available at:
   http://194.226.210.10/e-journals/RAMS/no12711/kamali.pdf
6. Wachtler M., Winter M., Besenhard J. O. Anodic materials for rechargeable Li-batteries. Journal of Power Sources. 2002;105: 151–160. DOI: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)00934-X
7. Wachtler M., Besenhard J.O., Winter M. Tin and tin-based intermetallics as new anode materials for lithium-ion cells. Journal of Power Sources. 2001;94: 189–193. DOI:
   https://doi.org/10.1016/S0378-7753(00)00585-1
8. Xie H., Tan X., Luber E.J., Olsen B.C., Kalisvaart W. P., Jungjohann K. L., Mitlin D., Buriak J. M. b-SnSb for sodium ion battery anodes: phase transformations responsible for Eenhanced cycling stability revealed by in situ TEM. ACS Energy Letters. 2018;3(7): 1670–1676. DOI: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.8b00762.
9. Li H., Wang Q., Shi L., Chen L., Huang X. Nanosized SnSb Alloy Pinning on hard non-graphitic carbon spherules as anode materials for a Li-ion battery. Chemistry of Materials. 2002;14(1): 103–108. DOI: https://doi.org/10.1021/cm010195p
10. Huang B., Pan Z., Su X., An L. Tin-based materials as versatile anodes for alkali (earth)-ion batteries. Journal of Power Sources. 2018;395: 41-59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.05.063.
11. Zhang W., Pang W., Sencadas V., Guo Z. Understanding high-Eenergy-density Sn4P3 Aanodes for potassium-ion batteries. Joule. 2018;2(8): 1534–1547. DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.04022
12. Jung S.C., Choi J., Han Y. The origin of excellent rate and cycle performance of Sn4P3 binary electrodes for sodium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A. 2018;6(4): 1772–1779. DOI: https://doi.org/10.1039/C7TA07310K
13. Domi Y., Usui H., Nakabayashi E., Yamamoto T., Nohira T., Hiroki Sakaguchi H. Potassiation and depotassioation Pproperties of Sn4P3 electrode in an ionic-liquid electrolyte. Electrochemistry. 2019;87(6): 333–335. DOI: https://doi.org/10.5796/electrochemistry.19-00052
14. Saddique J., Zhang X., Wu T., Su H., Liu S., Zhang D., Zhang Y., Yu H. Sn4P3-induced crystalline/amorphous composite structures for enhanced sodium-ion battery anodes. Journal of Materials Science & Technology. 2019. In Press. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.05.032
15. Zhang J., Wang W., Li B. Effect of particle size on the sodium storage performance of Sn4P3. Journal of Alloys and Compounds. 2019;771: 204–208. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.08.271
16. Lan D., Li Q. Sn4P3/SbSn nanocomposites for anode application in sodium-ion batteries. ChemElec troChem. 2018;5(17): 2383–2386. DOI: https://doi.org/10.1002/celc.201800639
17. Lee K. Synthesis and characterization of tetrel pnictides and compounds in the lithium-tetrel-arsenic system. Dissertation. University of California, Davis; 2016. 136 p. Available at: https://search.proquest.com/openview/6c5577b9817fa2c2864fdeda33e2acfb/1?pq-origsite=gscholar&cbl=18750&diss=y
18. Usui H., Domi Y., Yamagami R., Fujiwara K., Nishida H., Sakaguchi H. Sodiation–desodiation reactions of various binary phosphides as novel anode materials of Na-ion battery. ACS Applied Energy Materials. 2018;1(2): 306–311. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.7b00241
19. Liu S., Zhang H., Xu L., Ma L., Chen X. Solvothermal preparation of tin phosphide as a longlife anode for advanced lithium and sodium ion batteries. Journal of Power Sources. 2016;304: 346– 353. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.11.056
20. Liu J., Wang S., Kravchyk K., Ibáñez M., Krumeich F., Widmer R., Nasiou D., Meyns M., Llorca J., Arbiol J., Kovalenko M.V., Cabot A. SnP nanocrystals as anode materials for Na-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A. 2018;6(23): 10958–10966. DOI: https://doi.org/10.1039/C8TA01492B
21. Liu C., Yang X., Liu J., Ye X. Theoretical Prediction of Two-Dimensional SnP3 as a Promising Anode Material for Na-Ion Batteries. ACS Applied Energy Materials. 2018;1(8): 3850-3859. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.8b00621
22. Saddique J, Zhang X., Wu T, Wang X., Cheng X., Su H., Liu S., Zhang L., Li G., Zhang Y., Yu H. Enhanced Silicon Diphosphide-Carbon Composite Anode for Long-Cycle, High-effi cient sodium ion batteries. ACS Applied Energy Materials. 2019;2(3): 2223–2229. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.8b02242
23. Schmetterer С., Polt J., Flandorfer H. The phase equilibria in the Sb-Sn system. Part I: Literature review. Journal of Alloys and Compounds. 2017;728: 497–505. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom. 2017.08.215
24. Schmetterer С., Polt J., Flandorfer H. The phase equilibria in the Sb-Sn system. Part II: Experimental results. Journal of Alloys and Compounds. 2018;743: 523–536. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.367
25. Kovnir K.A., Kolen’ko Yu.V., Baranov A.I., Neira I.S., Sobolev AV., Yoshimura M., Presniakov I.A., Shevelkov A.V. A Sn4As3 revisited: Solvothermal synthesis and crystal and electronic structure. Journal of Solid State Chemistry. 2009;182(3): 630–639. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2008.12.007
26. Kovnir K.A., Kolen’ko Yu.V., Ray S., Li J., Watanabe T., Itoh M., Yoshimura M., Shevelkov A.V. A facile high-yield solvothermal route to tin phosphide Sn4P3. Journal of Solid State Chemistry. 2006;179(12): 3756–3762. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.08.012
27. Семенова Г. В., Гончаров Е. Г. Твердые растворы в тройных системах с участием элементов пятой группы. М.: Моск. физ.-техн. ин-т; 2000. 160 с. 28. Woo K. E., Dolyniuk J., Kovnir K. Superseding van der Waals with electrostatic interactions: intercalation of Cs into the interlayer space of SiAs2. Inorganic Chemistry.2019;58(8): 4997–5005. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b00017
28. Woo K. E., Dolyniuk J., Kovnir K. Supersedingvan der Waals with electrostatic interactions: intercalation of Cs into the interlayer space of SiAs2. Inorganic Chemistry.2019;58(8): 4997–5005. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b00017
29. Семенова Г. В., Кононова Е. Ю., Сушкова Т. П. Политермический разрез Sn4P3–Sn4As3. Журнал неорганической химии. 2013;58: 1242–1245. DOI: https://doi.org/10.7868/S0044457X13090201
30. Kononova E. Yu., Semenova G. V., Sinyova S. I., Sushkova T. P. Phase equilibria in the Sn–As–Ge and Sn–As–P systems. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2014;117(3): 1171–1177. DOI: https://doi.org/10.1007/s10973-014-3883-3
31. Сушкова Т. П., Семенова Г. В., Наумов А. В., Проскурина Е. Ю. Твердые растворы в системе Sn-As–P. Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2017;3: 30–36. Режим доступа: http://www.vestnik.vsu.ru/pdf/chembio/2017/03/2017-03-05.pdf
32. Семенова Г. В., Сушкова Т. П., Зинченко Е. Н., Якунин С. В. Растворимость фосфора в моноарсениде олова. Конденсированные среды и межфазные границы. 2018;20(4): 644–649. DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2018.20/639
33. Okamoto H., Subramanian P.R., Kacprzak L., Massalski T. B. Binary Alloy Phase Diagrams, Second Edition. Ohio: ASM International, Materials Park; 1990. 810 p.
34. Allen W. P., Perepezko J. H. Solidifi cation of undercooled Sn-Sb peritectic alloys: Part 1. Microstructural evolution. Metallurgical Transactions A. 1991;22: 753–764. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02670298
35. Gokcen N.A. The As–Sn (Tin-Arsenic) system. Bulletin of alloy phase diagrams. 1990;11(3): 271–278. DOI: https://doi.org/10.1007/bf03029298
36. Эмсли Дж. Элементы. М.: Мир; 1993. 256 c.