Highly safe lithium-ion batteries (LIBs) are required for large-scale applications such as electrical vehicles and energy storage systems. A highly stable cathode is essential for the development of safe LIBs. LiFePO4 is one of the most stable cathodes because of its stable structure and strong bonding between P and O. However, it has a lower energy density than lithium transition metal oxides. To investigate the high energy density of phosphate materials, vanadium phosphates were investigated. Vanadium enables multiple redox reactions as well as high redox potentials. LiVPO4O has two redox reactions (V5+/V4+/V3+) but low electrochemical activity. In this study, LiVPO4O is doped with fluorine to improve its electrochemical activity and increase its operational redox potential. With increasing fluorine content in LiVPO4O1-xFx, the local vanadium structure changed as the vanadium oxidation state changed. In addition, the operating potential increased with increasing fluorine content. Thus, it was confirmed that fluorine doping leads to a strong inductive effect and high operating voltage, which helps improve the energy density of the cathode materials.
An irradiation hardening of Inconel 718 produced by selective laser melting (SLM) was studied based on the microstructural observation and mechanical behavior. Ion irradiation for emulating neutron irradiation has been proposed owing to advantages such as low radiation emission and short experimental periods. To prevent softening caused by the dissolution of γ' and γ" precipitates due to irradiation, only solution annealing (SA) was performed. SLM SA Inconel 718 specimen was ion irradiated to demonstrate the difference in microstructure and mechanical properties between the irradiated and non-irradiated specimens. After exposing specimens to Fe3+ ions irradiation up to 100 dpa (displacement per atom) at an ambient temperature, the hardness of irradiated specimens was measured by nano-indentation as a function of depth. The depth distribution profile of Fe3+ and dpa were calculated by the Monte Carlo SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter)-2013 code under the assumption of the displacement threshold energy of 40 eV. A transmission electron microscope was utilized to observe the formation of irradiation defects such as dislocation loops. This study reveals that the Frank partial dislocation loops induce irradiation hardening of SLM SA Inconel 718 specimens.
Transition metal chalcogenides are promising cathode materials for next-generation battery systems, particularly sodium-ion batteries. Ni3Co6S8-pitch-derived carbon composite microspheres with a yolk-shell structure (Ni3Co6S8@C-YS) were synthesized through a three-step process: spray pyrolysis, pitch coating, and post-heat treatment process. Ni3Co6S8@C-YS exhibited an impressive reversible capacity of 525.2 mA h g-1 at a current density of 0.5 A g-1 over 50 cycles when employed as an anode material for sodium-ion batteries. However, Ni3Co6S8 yolk shell nanopowder (Ni3Co6S8-YS) without pitch-derived carbon demonstrated a continuous decrease in capacity during charging and discharging. The superior sodium-ion storage properties of Ni3Co6S8@C-YS were attributed to the pitch-derived carbon, which effectively adjusted the size and distribution of nanocrystals. The carbon-coated yolk-shell microspheres proposed here hold potential for various metal chalcogenide compounds and can be applied to various fields, including the energy storage field.
This study focused on improving the phase stability and mechanical properties of yttria-stabilized zirconia (YSZ), commonly utilized in gas turbine engine thermal barrier coatings, by incorporating Gd2O3, Er2O3, and TiO2. The addition of 3-valent rare earth elements to YSZ can reduce thermal conductivity and enhance phase stability while adding the 4-valent element TiO2 can improve phase stability and mechanical properties. Sintered specimens were prepared with hot-press equipment. Phase analysis was conducted with X-ray diffraction (XRD), and mechanical properties were assessed with Vickers hardness equipment. The research results revealed that, except for Z10YGE10T, most compositions predominantly exhibited the t-phase. Increasing the content of 3-valent rare earth oxides resulted in a decrease in the monoclinic phase and an increase in the tetragonal phase. In addition, the t(400) angle decreased while the t(004) angle increased. The addition of 10 mol% of 3-valent rare-earth oxides discarded the t-phase and led to the complete development of the c-phase. Adding 10 mol% TiO2 increased hardness than YSZ.
With the increasing attention to environmental pollution caused by particulate matter globally, the automotive industry has also become increasingly interested in particulate matter, especially particulate matter generated by automobile brake systems. Here, we designed a coating composition and analyzed its mechanical properties to reduce particulate matter generated by brake systems during braking of vehicles. We designed a composition to check the mechanical properties change by adding Cr3C2 and YSZ to the WC-Ni-Cr composite composition. Based on the designed composition, coating samples were manufactured, and the coating properties were analyzed by Vickers hardness and ball-on-disk tests. As a result of the experiments, we found that the hardness and friction coefficient of the coating increased as the amount of Cr3C2 added decreased. Furthermore, we found that the hardness of the coating layer decreased when YSZ was added at 20vol%, but the friction coefficient was higher than the composition with Cr3C2 addition.
Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3 (LATP) is considered to be one of the promising solid-state electrolytes owing to its excellent chemical and thermal stability, wide potential range (~5.0 V), and high ionic conductivity (~10-4 S/cm). LATP powders are typically prepared via the sol-gel method by adding and mixing nitrate or alkoxide precursors with chelating agents. Here, the thermal properties, crystallinity, density, particle size, and distribution of LATP powders based on chelating agents (citric acid, acetylacetone, EDTA) are compared to find the optimal conditions for densely sintered LATP with high purity. In addition, the three types of LATP powders are utilized to prepare sintered solid electrolytes and observe the microstructure changes during the sintering process. The pyrolysis onset temperature and crystallization temperature of the powder samples are in the order AC-LATP > CA-LATP > ED-LATP, and the LATP powder utilizing citric acid exhibits the highest purity, as no secondary phase other than LiTi2PO4 phase is observed. LATP with citric acid and acetylacetone has a value close to the theoretical density (2.8 g/cm3) after sintering. In comparison, LATP with EDTA has a low sintered density (2.2 g/cm3) because of the generation of many pores after sintering.
YSZ (Y2O3-stabilized zirconia)-based ceramics have excellent mechanical properties, such as high strength and wear resistance. In the application, YSZ is utilized in the bead mill, a fine-grinding process. YSZ-based parts, such as the rotor and pin, can be easily damaged by continuous application with high rpm in the bead mill process. In that case, adding WC particles improves the tribological and mechanical properties. YSZ-30 vol.% WC composite ceramics are manufactured via hot pressing under different pressures (10/30/60 MPa). The hot-pressed composite ceramics measure the physical properties, such as porosity and bulk density values. In addition, the phase formation of these composite ceramics is analyzed and discussed with those of physical properties. For the increased applied pressure of hot pressing, the tetragonality of YSZ and the crystallinity of WC are enhanced. The mechanical properties indicate an improved tendency with the increase in the applied pressure of hot pressing.
The aerospace and power generation industries have an increasing demand for high-temperature, high-strength materials. However, conventional materials typically lack sufficient fracture toughness and oxidation resistance at high temperatures. This study aims to enhance the high-temperature properties of Nb-Si-Ti alloys through ball milling. To analyze the effects of milling time, the progression of alloying is evaluated on the basis of XRD patterns and the microstructure of alloy powders. Spark plasma sintering (SPS) is employed to produce compacts, with thermodynamic modeling assisting in predicting phase fractions and sintering temperature ranges. The changes in the microstructure and variation in the mechanical properties due to the adjustment of the sintering temperature provide insights into the influence of Nb solid solution, Nb5Si3, and crystallite size within the compacts. By investigating the changes in the mechanical properties through strengthening mechanisms, such as precipitation strengthening, solid solution strengthening, and crystallite refinement, this study aims to verify the applicability of Nb-Si-Ti alloys in advanced material systems.
We report the effect of plastic deformation on the thermoelectric properties of n-type Bi2Te2.5Se0.5 compounds. N-type Bi2Te2.5Se0.5 powders are synthesized by an oxide-reduction process and consolidated via spark-plasma sintering. To explore the effect of plastic deformation on the thermoelectric properties, the sintered bodies are subjected to uniaxial pressure to induce a controlled amount of compressive strains (-0.2, -0.3, and -0.4). The shaping temperature is set using a thermochemical analyzer, and the plastic deformation effect is assessed without altering the material composition through differential scanning calorimetry. This strategy is crucial because the conventional hot-forging process can often lead to alterations in material composition due to the high volatility of chalcogen elements. With increasing compressive strain, the (00l) planes become aligned in the direction perpendicular to the pressure axis. Furthermore, an increase in the carrier concentration is observed upon compressive plastic deformation, i.e., the donor-like effect of the plastic deformation in n-type Bi2Te2.5Se0.5 compounds. Owing to the increased electrical conductivity through the preferred orientation and the donor-like effect, an improved ZT is achieved in n-type Bi2Te2.5Se0.5 through the compressive-forming process.
Linh Ba Vu;Soo-ho Jung;Jinhee Bae;Jong Min Park;Kyung Tae Kim;Injoon Son;Seungki Jo
한국분말재료학회지
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제31권2호
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pp.119-125
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2024
The n-type Bi2-xSbxTe3 compounds have been of great interest due to its potential to achieve a high thermoelectric performance, comparable to that of p-type Bi2-xSbxTe3. However, a comprehensive understanding on the thermoelectric properties remains lacking. Here, we investigate the thermoelectric transport properties and band characteristics of n-type Bi2-xSbxTe3 (x = 0.1 - 1.1) based on experimental and theoretical considerations. We find that the higher power factor at lower Sb content results from the optimized balance between the density of state effective mass and nondegenerate mobility. Additionally, a higher carrier concentration at lower x suppresses bipolar conduction, thereby reducing thermal conductivity at elevated temperatures. Consequently, the highest zT of ~ 0.5 is observed at 450 K for x = 0.1 and, according to the single parabolic band model, it could be further improved by ~70 % through carrier concentration tuning.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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