改性β－氧化铝固态电解质、复合固态电解质、及其应用和制备方法技术

本发明专利技术主要涉及改性β

【技术实现步骤摘要】
改性
β
‑
氧化铝固态电解质、复合固态电解质、及其应用和制备方法


[0001]本专利技术主要涉及改性β
‑
氧化铝固态电解质、复合固态电解质、及其应用和制备方法。

技术介绍

[0002]β
‑
氧化铝是一种主要由Al2O3和Na2O，结合少量氧化铜和氧化镁等其他微量氧化物，经过1400
‑
1650摄氏度高温烧结的陶瓷片，具有由铝氧基块和钠氧层交迭组成晶体结构。Al
3+
离子在由氧离子组成的四面体的空隙内，组成最紧密堆积的方式，这些密置层之间通过稀疏的[NaO]‑
将Al
–
O
–
Al链联系起来，所以Na离子在高温状态下可以在密置层之间穿梭。当温度达到250摄氏度以上时，β
‑
氧化铝具有与水溶液盐相接近的离子电导率，成为很多钠基电池(钠硫电池和Zebra电池等)的首选固态电解质。当Al2O3和Na2O的摩尔比接近5:1
‑
11:1的时候，离子电导率最佳，有时这种晶体结构也叫β"
‑
氧化铝，后面统一称为β
‑
氧化铝。
[0003]然而250摄氏度的工作温度还是太高，保持电池长期高温的措施很困难，能耗也很大。研究表明，金属钠单质与β
‑
氧化铝的界面亲和力不如铯铷等其他碱性金属，导致其与和β
‑
氧化铝在低于250摄氏度时反应接触面积有限，离子电导率差，所以大部分应用局限在250
‑
250摄氏度之间。同时β
‑
氧化铝中的游离氧化钠与水反应容易反应产生碱性氢氧化物，由于氧化铝是两性氧化物，经过长期高温强碱的腐蚀，β
‑
氧化铝陶瓷片会出现破裂或者腐蚀现象，所以鲜有β
‑
氧化铝与水溶液或者碱性溶液配合使用的案例。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于没有破坏β
‑
氧化铝晶格状态的前提下，实现对β
‑
氧化铝碱性配方的改性，提高了其在高温下长期的防强碱效果；同时对β
‑
氧化铝表面做熔融碱性金属氢氧化物电解液或者碱性金属氢氧化物水溶液的充分浸润改性，提高其在中温和低温下的电导率。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的第一方面提供一种改性β
‑
氧化铝固态电解质，掺杂有的氧化镁、氧化钙中的一种或两种。
[0006]在本专利技术第一方面的一些实施例中，掺杂占总重量10％以上的氧化镁。
[0007]在本专利技术第一方面的一些实施例中，掺杂占总重量12.9％以上的氧化镁。
[0008]本专利技术的第二方面涉及以上任一所述改性β
‑
氧化铝固态电解质在中、高温电池中的应用。
[0009]本专利技术的第三方面涉及一种复合固态电解质，由以上任一所述的改性β
‑
氧化铝固态电解质与其他固态电解质共烧结构成。
[0010]本专利技术的第四方面涉及以上任一所述改性β
‑
氧化铝固态电解质的制备方法，包括配置原料的步骤，其特征在于在所述的原料中加入的氧化镁、氧化钙中的一种或两种。
[0011]本专利技术的第四方面的一些实施例中，包括以下步骤：
[0012]在含有Al2O3和Na2CO3的原料中加入的氧化镁、氧化钙中的一种或两种，进行研磨搅拌，得第一中间产物，
[0013]第一中间产物于960
‑
1100℃煅烧以使Na2CO3分解生成Na2O，得第二中间产物，
[0014]第二中间产物在1250℃烧制1小时以上，得第三中间产物，
[0015]第三中间产物经过充分研磨后，在1280～1650℃下烧制8小时以上，得所述的固态电解质。
[0016]本专利技术的第四方面的一些实施例中，Al2O3：Na2CO3的摩尔比为5:1
‑
10:1。
[0017]本专利技术的第四方面的一些实施例中，所述的β
‑
氧化铝烧制原料中还含有K2CO3和Li2CO3中的一种或两种。
[0018]由本专利技术制备方法制造的固态电解质具有耐高温腐蚀的特性和良好的中、高温离子电导率，尤其适用于各类的中温碱性燃料电池、空气电池和钠离子电池等各类电池。
具体实施方式
[0019]在一些相关的实施例中，β
‑
氧化铝一类的固态电解质由于高温下具有良好的钠离子传导特性，同时降低的原材料成本，被广泛的用作各类钠基电池的电解质材料。然而，由于氧化铝的两性特性，这一类固态电解质在用于中高温环境下具有强碱腐蚀性的电池中时，时间一长就会发生明显的穿孔和破裂现象。
[0020]有鉴于存在上述问题，本专利技术提供一种改性β
‑
氧化铝固态电解质，以实现耐高温和耐腐蚀之目的。该改性β
‑
氧化铝固态电解质中，掺杂有的氧化镁、氧化钙中的一种或两种。
[0021]研究表明，掺入氧化镁、氧化钙不会对β
‑
氧化铝晶格状态产生本质影响，不会对于离子传导率产生太大的负面影响，而对于氧化镁的掺杂，Al
–
O
–
Al链与氧化镁结合更加紧密，使[NaO]‑
与Al
–
O
–
Al链联系起来更加疏松，从而提升高温电导率。同时由于碱性二价氧化物Al
–
O
–
Al链的结合作用，削弱了Al
–
O
–
Al链两性反应特征，从而使固态电解质的耐高温和耐强碱腐蚀具有明显的改善。
[0022]上述改性β
‑
氧化铝固态电解质能够耐受309℃以下的高温熔融氢氧化物侵蚀，而不发生穿孔和破裂。能够被用于各类的中温(80～300℃)、高温(300℃以上)电池，这些电池涉及碱性燃料电池、空气电池和钠离子电池等等
[0023]上述改性β
‑
氧化铝固态电解质还能与其他已知的固态电解质共烧结形成复合固态电解质。
[0024]上述改性β
‑
氧化铝固态电解质可在现有β
‑
氧化铝固态电解质制备工艺的基础上，在配置原料时，加入氧化镁、氧化钙中的一种或两种即可。
[0025]具体的，该固态电解质其中一种制备方法包括了以下步骤：
[0026]在含有Al2O3和Na2CO3的原料中加入的氧化镁、氧化钙中的一种或两种，进行研磨搅拌，得第一中间产物，
[0027]第一中间产物于960
‑
1100℃煅烧以使Na2CO3分解生成Na2O，得第二中间产物，
[0028]第二中间产物在1250℃烧制1小时以上，得第三中间产物，
[0029]第三中间产物经过充分研磨后，在1280～1650℃下烧制8小时以上，得所述的固态
电解质。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.改性β
‑
氧化铝固态电解质，其特征在于掺杂有的氧化镁、氧化钙中的一种或两种。2.如权利要求1所述的改性β
‑
氧化铝固态电解质，其特征在于掺杂占总重量10％以上的氧化镁。3.如权利要求2所述的改性β
‑
氧化铝固态电解质，其特征在于掺杂占总重量12.9％以上的氧化镁。4.权利要求1～3任一所述改性β
‑
氧化铝固态电解质在中、高温电池中的应用。5.一种复合固态电解质，其特征在于由权利要求1～3任一所述的改性β
‑
氧化铝固态电解质与其他固态电解质共烧结构成。6.一种权利要求1～3任一所述改性β
‑
氧化铝固态电解质的制备方法，包括配置原料的步骤，其特征在于在所述的原料中加入的氧化镁、氧化钙中的一种或两种。7.如权利要求6所述的改性β
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：俞麒峰，李爱东，吴海萍，唐绍怡，
申请(专利权)人：苏州云逸航空复合材料结构有限公司，
类型：发明
国别省市：