一种Nd2O3掺杂型Na-β(β制造技术

本发明专利技术公开了一种Nd2O3掺杂型Na

【技术实现步骤摘要】
一种Nd2O3掺杂型Na
‑
β
(
β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及固体电解质陶瓷材料
，尤其涉及一种在1550℃以上高温烧结、具有高Na
+
电导率的固体电解质陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]钠硫电池具有储能密度大、效率高、运行费用低、维护较容易、不污染环境、使用寿命长等优点，特别适合做削峰填谷的储能电池，1992年开始商用至今已30年。
[0003]Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3不仅是钠硫电池的电解质材料，同时还是钠硫电池的选择性透过膜，是钠硫电池的重要组成部分，电池的性能很大程度上依赖其固体电解质Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3的性能，因此，Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3电解质的制备和性能研究也逐渐成为备受重视的研究领域。
[0004]传统合成Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3的主要方法是将高纯α
‑
Al2O3、Na2CO3以及少量掺杂剂如MgO或Li2O等混合，在1600℃以上的高温下烧结而成。在高温烧结过程中，往往存在以下问题：一是Na
+
容易挥发，使得Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3固体电解质偏离目标成分，导致性能降低；二是在Na2O
‑
Al2O3体系中往往同时存在β
‑
Al2O3与β"
‑
Al2O3两种晶相，β"
‑
Al2O3相的电导率是β
‑
Al2O3相的10倍左右，但在高温烧结过程中，β"
‑
Al2O3相极易向β
‑
Al2O3相转变，导致性能降低；三是在高温烧结过程中，电解质中晶粒容易长大，由此产生的“双重结构”不但会降低电解质离子电导率，而且会影响钠硫电池使用寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料，在引入Li
+
稳定β
″‑
Al2O3相结构的基础上，把稀土氧化物Nd2O3掺杂到固体电解质中，在利于降低烧结温度以减少Na
+
挥发的同时，部分掺杂的Nd
3+
进入陶瓷晶格代替Al
3+
以进一步稳定β
″‑
Al2O3相，部分掺杂的Nd
3+
以NdAlO3晶相的形式在，可以阻碍陶瓷晶粒的异常长大，使陶瓷更为致密，从而增强Na
‑
β"(β)
‑
Al2O3固体电解质的电学性能，进而促进钠硫电池生产技术的进步和发展。本专利技术的另一个目的在于提供上述Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷的制备方法及其制得的产品。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术提供的一种Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料，其化学式为化学式Ⅰ：Na
1.67
Li
0.33
Al
10.67
‑
x
Nd
x
O
17
，其中x＝0.003～0.005；Nd
3+
掺杂进入陶瓷晶格代替Al
3+
，Nd
3+
还以NdAlO3晶相的形式存在。
[0008]上述方案中，本专利技术所述固体电解质陶瓷材料的体积密度大于3.17g/cm3，300℃下的电导率≥0.06S
·
cm
‑1、电导活化能≤0.109eV。
[0009]本专利技术的另一目的通过以下技术方案予以实现：
[0010]本专利技术提供的上述Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011](1)埋烧料的制备
[0012]将α
‑
Al2O3和Na2CO3按照化学式Na2Al
10.67
O
17
进行配料，以无水乙醇为球磨介质进行球磨处理；球磨后得到的物料经烘干、过筛、压制成型后进行煅烧处理；煅烧处理后的物料经研磨、过筛，即制得埋烧料；
[0013](2)预合成前驱体粉料的制备
[0014]以铝源、钠源、锂源和钕源为原料进行配料，其中铝源、锂源和钕源按照所述化学式Ⅰ进行配料，钠源的用量比化学式Ⅰ中的计量数多加8～12％；然后以无水乙醇为球磨介质进行一次球磨处理；球磨后得到的物料经烘干、过筛、压制成型后进行煅烧处理；煅烧处理后的物料经研磨、过筛，即制得预合成前驱体粉料；
[0015](3)固体电解质陶瓷的制备
[0016]将所述预合成前驱体粉料进行二次球磨处理，球磨后得到的物料经烘干、研磨、过筛、造粒、陈腐，得到处理料；将所述处理料放入模具中压制成型后，再用冷等静压压制，之后进行排胶热处理，得到预烧件；然后，将所述预烧件置于埋烧料内进行埋烧，即制得固体电解质陶瓷材料。
[0017]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(1)中α
‑
Al2O3和Na2CO3的纯度不低于99.2％；所述步骤(2)中原料的纯度不低于99.9％，所述铝源为α
‑
Al2O3或Al(OH)3、钠源为无水Na2CO3或Na2C2O4、锂源为Li2CO3或Li2C2O4、钕源为Nd2O3。
[0018]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(1)中的球磨处理为按照球∶料∶无水乙醇＝4∶1∶1～1.5，球磨12h以上；所述步骤(2)中的一次球磨处理和二次球磨处理相同，为按照球∶料∶无水乙醇＝4∶1∶1～3，球磨12h以上。
[0019]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(1)和步骤(2)的压制成型压力均为4～6Mpa，煅烧处理均为以5℃/min升温至1100～1150℃。
[0020]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(3)中造粒所用粘结剂采用聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇，聚乙烯醇缩丁醛或聚乙烯醇的用量为物料的3～7wt％。
[0021]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(3)中在6～8Mpa下压制成型；冷等静压的压力为200～300MPa，保压时间至少为90s；排胶热的温度处理为以1℃/min升温至630～650℃。
[0022]进一步地，本专利技术制备方法所述步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料，其特征在于：所述固体电解质陶瓷材料的化学式为化学式Ⅰ：Na
1.67
Li
0.33
Al
10.67
‑
x
Nd
x
O
17
，其中x＝0.003～0.005；Nd
3+
掺杂进入陶瓷晶格代替Al
3+
，Nd
3+
还以NdAlO3晶相的形式存在。2.根据权利要求1所述的Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料，其特征在于：所述固体电解质陶瓷材料的体积密度大于3.17g/cm3，300℃下的电导率≥0.06S
·
cm
‑1、电导活化能≤0.109eV。3.权利要求1或2所述Nd2O3掺杂型Na
‑
β(β
″
)
‑
Al2O3固体电解质陶瓷材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)埋烧料的制备将α
‑
Al2O3和Na2CO3按照化学式Na2Al
10.67
O
17
进行配料，以无水乙醇为球磨介质进行球磨处理；球磨后得到的物料经烘干、过筛、压制成型后进行煅烧处理；煅烧处理后的物料经研磨、过筛，即制得埋烧料；(2)预合成前驱体粉料的制备以铝源、钠源、锂源和钕源为原料进行配料，其中铝源、锂源和钕源按照所述化学式Ⅰ进行配料，钠源的用量比化学式Ⅰ中的计量数多加8～12％；然后以无水乙醇为球磨介质进行一次球磨处理；球磨后得到的物料经烘干、过筛、压制成型后进行煅烧处理；煅烧处理后的物料经研磨、过筛，即制得预合成前驱体粉料；(3)固体电解质陶瓷的制备将所述预合成前驱体粉料进行二次球磨处理，球磨后得到的物料经烘干、研磨、过筛、造粒、陈腐，得到处理料；将所述处理料放入模具中压制成型后，再用冷等静压压制，之后进行排胶热处理，得到预烧件；然后，将所述预烧件置于埋烧料内进行埋烧，即制得固体电解质陶瓷材料。4.根据权利要求3所述的Nd2O3掺杂型Na
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β(β
″
)
‑
Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：王竹梅，王涛，李恺，孙熠，李月明，沈宗洋，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：