[发明专利]一种高强度beta-Al2O3固体电解质的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及到钠硫电池的固体电解质的制备技术，提供了一种高强度beta-Al₂O₃固体电解质的制备方法，属于能源材料的制备领域。

背景技术

钠硫(NaS)电池是一种高温固态电解质电池，工作温度为300-350℃，以熔融态的单质硫和金属钠分别作为电池的正负极，以beta-Al₂O₃作为电解质和隔膜。其具有储能密度大、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。NaS电池储能系统自2002年实现商业化运作以来，在负荷调控、功率稳定、电能质量、直流后备电源等方面已得到广泛应用。Beta-Al₂O₃固体电解质包括β-Al₂O₃和β-Al₂O₃，β相和β相在多数情况下是共存的。其中，多晶β-Al₂O₃的电导率是β-Al₂O₃电导率的3-4倍。因此，提高β相的含量有助于提高beta-Al₂O₃电解质的电导率。但是，高温下β-Al₂O₃容易向β-Al₂O₃转变，成为电导率下降的重要因素。而烧结过程中Na₂O的挥发又使得电解质制品的性能存在不稳定性。同时，beta-Al₂O₃容易沿晶体的C轴开裂，金属钠在电解质的晶格或晶界内会出现沉积现象，使得电解质材料发黑和破裂，导致钠硫电池失效。同时由于NaS电池的要求是Na和S都处于液态，且达到300℃左右的高温，一旦陶瓷电介质破损，高温的液态Na和S就会直接接触并发生剧烈的放热反应，后果会不堪设想，所以陶瓷电介质机械性能的提高至关重要。因为高强度、高密度和高电导率能够获得比能量高、使用寿命长的Na-β-Al₂O₃固体电解质。现在国内外有许多的研究者在制备beta-Al₂O₃电解质时加入了Ti⁴⁺、Zr⁴⁺等金属离子,使得得到的beta-Al₂O₃电解质的综合性能都有了一定的提高；但添加的Ti⁴⁺、Zr⁴⁺等金属离子较贵，生产量小。

发明内容

该发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供了一种高强度beta-Al₂O₃固体电解质的制备方法。

本发明通过以下技术方案来实现的：

一种高强度beta-Al₂O₃固体电解质的制备方法，其具体步骤为：(a)含过渡金属原子的盐添加到钠盐、锂盐和铝盐或铝的氧化物中，混合后以无水有机极性溶剂为介质在行星球磨机中球磨干燥，过筛后用箱式炉预烧制得前驱料；(b)将前驱料粉料于无水有机极性溶剂中球磨后干燥，过筛后添加PVA水溶液到前驱料粉料中并混合均匀，压制成型；(c)然后将成型的素坯放入箱式硅钼棒炉中缓慢加热至550-650℃保温进行脱脂，然后升温，并于1550-1680℃保温烧结，接着降温至在1400-1500℃保温，最后随炉冷却得到高强度的beta-Al₂O₃固体电解质的烧结体。

优选所述的含过渡金属原子的盐为含过渡金属原子的草酸盐、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐或甲酸盐，其中过渡金属原子为Fe、Cr或Ni。优选所述的钠盐、锂盐和铝盐分别为钠的草酸盐、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐或甲酸盐，锂的草酸盐、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐或甲酸盐，铝的草酸盐、硝酸盐、碳酸盐、醋酸盐、柠檬酸盐或甲酸盐。