Литий нитрид Li3N в Минске

Нитрид лития LiN: ионно-проводящая керамика для твердотельных источников тока

Нитрид лития LiN — бинарное соединение щелочного металла с азотом, единственный известный кристаллический нитрид лития, обладающий рекордно высокой ионной проводимостью среди твёрдых литий-проводящих материалов. При комнатной температуре удельная ионная проводимость монокристалла достигает 10–10 См/см вдоль гексагональных каналов решётки, что на порядки превышает показатели LiPO, LiSiO и большинства сульфидных стёкол. Именно это свойство определяет промышленный интерес к материалу как к твёрдому электролиту для литиевых систем.

Кристаллохимия и физические параметры

Соединение кристаллизуется в гексагональной сингонии (пространственная группа P6/mmm) и построено из чередующихся слоёв LiN и слоёв чистого лития. Подвижный литиевый слой образует двумерные каналы, по которым переносится ион Li. Такая анизотропная структура объясняет резкое различие проводимости вдоль и поперёк оси c. Материал чувствителен к влажности воздуха: гидролиз с выделением аммиака начинается уже при контакте с атмосферной влагой, поэтому обращение с ним требует перчаточного бокса с инертной средой (Ar или N, точка росы не выше –40 C).

Синтез и формы поставки

Промышленно значимые маршруты получения — прямая реакция металлического лития с азотом при 150–400 C и твердофазный синтез из LiN-затравки. Для электролитических приложений материал поставляется в виде:

• поликристаллического порошка чистотой 99,5–99,9 % (основной продукт для лабораторий и пилотных линий);
• спечённых таблеток и мембран толщиной 0,5–2,0 мм для электрохимических ячеек;
• монокристаллических пластин, выращенных методом Бриджмена, для исследований анизотропии переноса;
• мишени для магнетронного напыления тонкоплёночных твёрдых электролитов.

Применение в технических системах

Основной потребитель нитрида лития — разработка твердотельных литиевых аккумуляторов и литий-металлических анодов, где LiN служит разделительным электролитом либо защитным интерфейсным слоем. В химической технологии соединение применяется как азотирующий реагент и прекурсор для получения нитридов переходных металлов (TiN, ZrN, BN) в реакторах CVD и PVD. В аналитической практике LiN используют как источник сухого аммиака при термолизе в вакуумных установках. Перспективное направление — интеграция в тонкоплёночные батареи для микроэлектромеханических систем (MEMS) и носимой электроники, где требуется работа при –20…+80 C без жидкой фазы.

Техника безопасности и хранение

Вещество относится к классу реактивных гидролизующихся материалов. При контакте с водой выделяет аммиак и водород, что создаёт риск в замкнутых объёмах. Хранение — герметичная тара под аргоном, температура не выше 25 C, относительная влажность в помещении не более 1 %. Работы ведут в перчаточном боксе или с использованием шлюзовой камеры; средства защиты включают нитриловые перчатки, респиратор с фильтром против аммиака и защитные очки.

Вопросы и ответы