Lithium-Selbstdiffusion in Lithiumsilicatgläsern

Abstract

Α method for determining the seif diffusion coefficient DLi* of lithium in lithium silicate glasses was developed and applied to glasses of composition x Li2O · (100-x) SiO2 with x = 18, 25 and 33. The method depends on an exchange between the two stable isotopes 6Li and 7Li followed by mass spectrometric analysis. Glass samples were treated in an 6Li-enriched molten salt and the isotope ratio then determined in a quadrupole mass spectrometer with a two band thermal ion source for either section or the whole sample. The results permit the seif diffusion coefficient to be calculated for temperatures between 270 and 450 °C (T ≦ Tg) . The values obtained are rather high (about 1 ∙ 10^-8 cm^2 s^-1 bei 350 °C) and of the same order as the self diffusion coefficient of sodium in the corresponding sodium silicate glasses. The activation energy lay between 64 and 81 kJ/mol. Indications of an isotope effect were found. From these and by using the Nernst-Einstein equation conclusions are drawn about the controlling transport mechanism. On met au point et on emploie une methode de mesure pour de terminer le coefficient d'autodiffusion du lithium DLi* dans des verres de silicate de lithium binaires de composition x Li2O · (100-x) SiO2 avec x = 18, 25 et 33. La methode repose sur l'echange des deux isotopes de lithium stables 6Li et 7Li, dont les teneurs sont determinees par spectrometric de masse. Pour cela, on a traite des echantillons de verre dans un sei fondu enrichi en 6Li et on a etudie ensuite le rapport des deux isotopes couche par couche ou globalement dans un spectrometre de masse quadrupolaire avec une source d'ions thermique à deux bandes. On a pu calculer, à partir des resultats, le coefficient d'autodiffusion pour des temperatures comprises entre 270 et 450 °C (T ≦ Tg). Les valeurs de DLi* sont vraiment elevees (autour de 1 ∙ 10^-8 cm^2 s^-1 bei 350 °C), elles sont du meme ordre de grandeur que le coefficient d'autodiffusion du sodium dans les verres de silicate de sodium correspondants. Les valeurs de l'energie d'activation sont situees entre 64 et 81 kJ/mol. On a decele un effet isotopique pour la diffusion du lithium. Α partir de là et en utilisant l'equation de Nernst-Einstein, on en a tire des conclusions sur le mecanisme de transport dominant. Zur Bestimmung des Lithium-Selbstdiffusionskoeffienten DLi* in binären Lithiumsilicatgläsern der Zusammensetzung x Li2O · (100-x) SiO2 mit x = 18, 25 und 33 wurde eine Meßmethode entwickelt und angewandt. Das Verfahren beruht auf einem Austausch der beiden stabilen Lithiumisotope 6Li und 7Li sowie anschließender massenspektrometrischer Analyse. Dazu wurden Glasproben in einer 6Li-angereicherten Salzschmelze behandelt und danach schichtweise oder ganz in einem Quadrupolmassenspektrometer mit thermischer Zweiband-Ionenquelle auf das Isotopenverhältnis hin untersucht. Aus den Ergebnissen konnte der Selbstdiffusionskoeffizient für Temperaturen zwischen 270 und 450 °C (T ≦ Tg) berechnet werden. Die DLi*-Werte sind recht groß (um 1 ∙ 10^-8 cm^2 s^-1 bei 350 °C), sie liegen in der gleichen Größenordnung wie der Selbstdiffusionskoeffizient des Natriums in entsprechenden Natriumsilicatgläsern. Für die Aktivierungsenergie ergaben sich Werte zwischen 64 und 81 kJ/mol. Es wurden Anzeichen für einen Isotopieeffekt der Lithiumdiffusion gefunden. Daraus und mittels Anwendung der Nernst-Einstein-Gleichung werden Schlüsse auf den herrschenden Transportmechanismus gezogen.