Processamento ultrarrápido do eletrólito sólido Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ pela técnica de reactive flash sintering

dc.contributor.advisor-co1Jesus , Lilian Menezes de
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/1731168664454710
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-6265-5542
dc.contributor.advisor1Rodrigues, Ana Candida Martins
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4499231813051400
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1689-796X
dc.contributor.authorCampos, Leonardo Jesus de
dc.contributor.authorlatteshttps://lattes.cnpq.br/1446190205368762
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0009-0009-1227-1274
dc.contributor.refereeAlmeida, Juliana Mara Pinto de
dc.contributor.refereeBradtmüller, Henrik
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/7830925338249360
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/6765554058795910
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0003-4809-6278
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0001-7971-2163
dc.date.accessioned2026-07-31T14:44:04Z
dc.date.issued2026-07-28
dc.description.abstractSolid-state sodium batteries have attracted increasing interest due to the abundance and low production cost of sodium, as well as the potential for improved safety compared to batteries employing flammable liquid electrolytes. Among the most promising solid electrolytes is Na3Zr2Si2PO12 (NZSP), a member of the NaSICON family, which exhibits high ionic conductivity. However, its conventional processing requires calcination and sintering steps at high temperatures and long dwell times, promoting sodium and phosphorus volatilization and increasing energy consumption. In this work, Reactive Flash Sintering (RFS) was investigated as an alternative route to promote both NaSICON phase formation and densification of NZSP in a single processing step. The effects of the maximum applied power, dwell time, and power ramp rate on phase formation, microstructure, and electrical properties were systematically evaluated. The results demonstrated that the processing condition of 150 mW mm-3, combined with a power ramp rate of 30 mW mm-3 min-1 and a dwell time of 15 min, enabled the production of samples with a relative density of approximately 96%, a total ionic conductivity of 1.14 ± 0.11 mS cm-1, and an activation energy of 0.30 ± 0.01 eV. In comparison, conventionally processed samples exhibited lower conductivity (0.75 ± 0.02 mS cm-1) and higher activation energy (0.35 ± 0.01 eV). The use of sacrificial powder during conventional sintering, aiming to reduce the loss of volatiles, such as sodium or phosphorus, at high temperatures, increased the conductivity to values comparable to those obtained by RFS, indicating that the main advantage of the electric field-assisted process is associated with the reduction of volatile species losses during processing. The results demonstrate, for the first time, the feasibility of producing NZSP electrolytes by Reactive Flash Sintering directly from unreacted precursor powders, highlighting the potential of this technique as a rapid and energy-efficient route for the fabrication of solid electrolytes.eng
dc.description.resumoAs baterias de estado sólido baseadas em sódio têm despertado crescente interesse devido à abundância do sódio, baixo custo de produção e ao potencial de maior segurança quando comparadas às baterias com eletrólitos líquidos inflamáveis. Entre os eletrólitos sólidos mais promissores destaca-se o Na3Zr2Si2PO12 (NZSP), pertencente à família NaSICON, que apresenta elevada condutividade. Entretanto, seu processamento convencional requer etapas de calcinação e sinterização em altas temperaturas e longos tempos de tratamento térmico, favorecendo a volatilização de sódio e fósforo e aumentando o consumo energético. Neste trabalho foi investigada a técnica de Reactive Flash Sintering (RFS) como rota alternativa para promover a formação da fase NaSICON e a densificação em uma única etapa. Foram avaliados os efeitos da potência máxima aplicada, tempo de patamar e taxa de rampa de potência sobre a formação de fases, microestrutura e propriedades elétricas. Os resultados demonstraram que a condição de 150 mW mm-3, com taxa de rampa de 30 mW mm-3 min-1 e patamar de 15 min, possibilitou a obtenção de amostras com densidade relativa de aproximadamente 96%, condutividade total de 1,14 ± 0,11 mS cm-1 e energia de ativação de 0,30 ± 0,01 eV. Em comparação, amostras processadas convencionalmente apresentaram menor condutividade (0,75 ± 0,02 mS cm-1) e maior energia de ativação (0,35 ± 0,01 eV). A utilização de pó de sacrifício durante a sinterização convencional, visando diminuir a perda de voláteis a altas temperaturas, elevou a condutividade para valores equivalentes aos obtidos por RFS, indicando que a principal vantagem do processamento assistido por campo elétrico está associada à redução das perdas de voláteis durante o processamento. Os resultados demonstram, pela primeira vez, a viabilidade da obtenção do eletrólito NZSP por RFS a partir de pós precursores não reagidos, evidenciando o potencial da técnica como uma rota rápida e energeticamente eficiente na obtenção de eletrólitos sólidos.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipId88887.992023/2024-00
dc.identifier.citationCAMPOS, Leonardo Jesus de. Processamento ultrarrápido do eletrólito sólido Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ pela técnica de reactive flash sintering. 2026. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24441.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24441
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1016/j.mtla.2026.102856
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectBaterias de estado sólidopor
dc.subjectCondução por íons sódiopor
dc.subjectReactive flash sinteringeng
dc.subjectNaSICONeng
dc.subjectEletrólitos sólidospor
dc.subjectSolid-state batterieseng
dc.subjectSodium-ion conductioneng
dc.subjectReactive flash sinteringeng
dc.subjectNaSICONeng
dc.subjectSolid electrolyteseng
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.subject.ods7. Energia limpa e acessível
dc.titleProcessamento ultrarrápido do eletrólito sólido Na₃Zr₂Si₂PO₁₂ pela técnica de reactive flash sinteringpor
dc.title.alternativeUltrafast processing of the Na3Zr2Si2PO12 solid electrolyte via reactive flash sinteringeng
dc.typeDissertação

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