Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ЛИТИЯ В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ

Ву Кунь 1 Чжун Хаовэнь 1 Ван Бо 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Статья посвящена сравнительному анализу Li как в микро-, так и в наноструктурах: тип и параметр решетки прямой линии ОЦК-типа, обратной ГЦК. Приведено, что кристалл лития имеет поверхность Ферми, реальная поверхность Ферми лития замкнута и близка к сферической с максимальным отклонением 4,6 ± 1,0% от сферы. Указано, что несколько свойств Li в микро и наноструктурах различны. Коэффициент линейного теплового расширения уменьшается. Температура плавления имеет небольшое падение (от 181 ° С до 180 ° С). Активность наночастиц на поверхности велика, поэтому для плавления наноструктурированного металла нужна меньше температура. Характеристики прочности, а также точки кипения остаются неизменными. Квантовый размерный эффект оказывает основное влияние на изменение свойств Li. В конце описана технология производства и проанализировано влияние нанолитиевых материалов на производство ионно-литиевых аккумуляторов, Введен способ приготовления нано лития: источник лития раствор получают путем растворения растворимого в воде соль лития или гидроксид лития в воде и растворимый в воде дисперсию к раствору добавляют источника лития. Указаны , области применения нанолития.
тип решетки и параметры лития
зона Бриллюэна
поверхность Ферми
квантовый размерный эффект
Нанопорошок
зона бриллюэна.
1. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. / Под общей ред. Б.А. Калина. Том 6. Конструкционные материалы ядерной техники. / Б.А. Калин, П.А. Платонов, Ю.В. Тузов, И.И. Чернов, Я.И. Штромбах. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 736 с.
2. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. / Под общей ред. Б.А. Калина. Том 1. Физика твердого тела. – М.: МИФИ. – 2012. – 635 с.
3. Физическое материаловедение: Учебник для вузов. / Под общей ред. Б.А. Калина. Том 5. Материалы с заданными свойствами. – М.: МИФИ. – 2012. – 635 с.
4. Американские элементы, микроуровни лития. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.americanelements.com/li.html
5. Американские элементы, литиевые наночастицы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:https://www.americanelements.com/lithium-nanoparticles-7439-93-2
6. Y. Volokitin, J. Sinzig, L. J. de Jongh. Quantum-size effects in the thermodynamic properties of metallic nanoparticles / Nature volume384, pages621–623. 1996
7. Wan Chunrong, Ren Jianguo, He Xiangming. Способ получения нано лития карбоната/ Патент:CN 201010144824

Введение:

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды). Вследствие своей низкой плотности литий всплывает не только в воде, но и, например, в керосине. Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380 °C и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие пары щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Тип решетки и параметры лития,

Металлический литий имеет кубическую объёмноцентрированную решётку (координационное число 8), пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,35021 нм, Z = 2.

На рисунках 1 представлены прямая и обратная решетки лития.

Рисунок 1 – Решетка ОЦК (а) и соответствующая ей обратная ГЦК решетка (б) лития

Поверхность Ферми и зона Бриллюэна лития

В математике и физике твердого тела первая зона Бриллюэна является однозначно определенной примитивной ячейкой в обратном пространстве. Точно так же, как решетка Браве делится в реальной решетке на ячейки Вигнера–Зейца, обратная решетка разбивается на зоны Бриллюэна. Границы этой ячейки задаются плоскостями, связанными с точками на обратной решетке. Важность зоны Бриллюэна вытекает из блоховского описания волн в периодической среде, в котором установлено, что решения могут быть полностью охарактеризованы их поведением в первой зоне Бриллюэна, что показано на рисунке 2.

Первая зона Бриллюэна (часто называемая просто зоной Бриллюэна) может быть построена как объём, ограниченный плоскостями, которые отстоят на равные расстояния от рассматриваемого узла обратной решётки до соседних узлов [1]. Альтернативное определение следующее: зона Бриллюэна — множество точек в обратном пространстве, которых можно достигнуть из данного узла, не пересекая ни одной брэгговской плоскости [2].

Рисунок 2 – Первая зона Бриллюэна для ОЦК решетки лития

На рисунке 3 приведена поверхность Ферми для лития.

Рисунок 3 – Поверхность Ферми для лития [3]

Ферми поверхность лития закрыта и близка к сферической с максимальным отклонением 4,6 ± 1,0% от сферы.

Изменение свойств лития при переходе к наноразмерам

В таблице 1 представлена сравнительная характеристика некоторых физических свойств лития в микро- и наномасштабах.

Таблица 1 - Сравнение свойств лития в микро[4]- и наноструктурах [5]

Параметр

Микро

Нано

Размер, нм

Вид наноматериала

Плотность, г/см3

0,530

0,534

50

Нанопорошок

Температура плавления, °С

181

180

50

Нанопорошок

Коэффициент линейного термического расширения, мкм/м·К

56

46

120

Нанокристалл

 

Из таблицы следует, что при переходе к наноразмерностям, по-видимому, только одно физическое свойство уменьшается (коэффициент линейного теплового расширения). Температура плавления имеет небольшое падение (от 181 ° С до 180 ° С). Активность наночастиц на поверхности велика, поэтому для плавления наноструктурированного металла нужна меньше температура. Характеристики прочности, а также точки кипения остаются неизменными. Возможно, потребуется изучить еще более дисперсные нанопорошки для проявления размерных эффектов.

Согласно статье, написанной Л. Хосом де Жонгом «Квантовые размерные эффекты в термодинамических свойствах металлических наночастиц» [6], эффекты квантового размера заставляют термодинамические свойства металлических наночастиц зависеть от того, имеют ли они нечетное или четное число электронов. Дальнейшие исследования свойств наночастиц лития по-прежнему крайне необходимы!

Технология получения

Способ приготовления нано лития, отличающийся тем, источник лития раствор сначала получают путем растворения растворимого в воде соль лития или гидроксид лития в воде и растворимый в воде дисперсию к раствору добавляют источника лития. Агент образует смешанный раствор, а затем спрей и рассеивает смешанный раствор через порт подачи и распределитель жидкости через порт подачи и распределитель жидкости в пористый наполнитель в заправочной зоне кольцевой вращающийся уплотненный слой. В то же время добавляли раствор CO2 или водорастворимого карбоната.быстро и тщательно смешивая водорастворимую соль лития или раствор гидроксида лития с СО2 газом или растворимого в воде водного раствора карбоната под действием центробежной силы, и частицы карбоната нано-литиевые, Выпускное отверстие кровати выгружают, а белый нано-карбонат лития (Li2CO3) Порошок, полученный после обработки фильтрации, промывки и сушки.[7]

В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO3 (щелочной способ), или обрабатывают K2SO4 (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li2CO3, который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.

Применение

Известная японская компания "Toshiba" создала аккумуляторы, в которых используются нано-литиевые частицы. Он набирает 80% своей емкости всего за одну минуту зарядки. Конструкция еще нуждается в доработке, но фирма намерена начать серийный выпуск новых аккумуляторов уже в 2006 году. Они будут предназначены для электромобилей и портативного электроинструмента.

Новый тип литий-ионной батареи, которая в три раза превышает емкость существующей емкости и может заряжаться всего за шесть минут. Литий-ионные батареи называются потому, что ионы лития заряжаются и разряжаются между анодом и катодом основной батареи.

Анод был покрыт нанокристаллами титаната лития. Если активная площадь 1 грамма пористого углерода, из которого изготовлен анод, составляет около 3 квадратных метров, площадь ионного обмена увеличивается до 100 квадратных метров после нанесения покрытия на нанокристаллы.

Литий является материалом из которого изготавливают аноды химических источников тока и различного рода гальванических элементов с твёрдым электролитом, которые работают на основе неводных жидких и твёрдых электролитов.

Молибдат лития и кобальтат показали наилучшие свойства в эксплуатации и энергоёмкость в качестве положительно электрода в аккумуляторах из лития. Гидроксид лития является одним из компонентов, которые используют для изготовления щёлочных аккумуляторов.

Литий используют для изготовления ракетного топлива, высокоэффективных лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления различной оптики.

Перхлорат лития является прекрасным окислителем. Сульфат лития применяют в дефектоскопии. Нитрат лития нашёл своё применении в пиротехнике.

Сплавы лития с различными металлами, например с золотом или серебром, являются весьма эффективными припоями. Также подобные сплавы используются в качестве перспективных материалов в космонавтике и авиации. Также не основе этого металла, создана специальная керамика, которая затвердевает при комнатной температуре, применяется она успешно в военной технике, металлургии и прогнозируется, что в ближайшее время она найдёт своё применение в термоядерной энергетике. Непревзойдённой прочностью обладает стекло на его основе.

В радиоэлектронике, кроме галлия и других сплавов используется триборат лития – цезия, как оптический материал.

Литий используется как в чёрной, так и в цветной металлургии. Применяется он для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов.

Карбонат лития считается наиважнейшим веществом при выплавке алюминия, и потребление его с каждым годом всё увеличивается.

Применение литию нашли и в ядерной энергетике. Например, гафниат лития, является одним из основополагающих веществ в составе эмали, которая предназначается для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих токсичное вещество плутоний.

Литий применяется и в термоядерной энергетике. И при сушке газов. И даже в медицине, так как его соли обладают лечебными свойствами.


Библиографическая ссылка

Ву Кунь, Чжун Хаовэнь, Ван Бо СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ЛИТИЯ В МИКРО- И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19418 (дата обращения: 19.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252