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钠基电池在能量密度、安全性、循环稳定性等方面具备较为优异的性能,因此在储能和其他大型应用系统方面受到科研和技术工作者越来越多的关注与重视。其中,Na-β"-Al2O3快离子导体作为钠基电池的固体电解质隔膜,对整个电池的性能起着决定性的作用。提高Na-β"/β-Al2O3电解质隔膜电导率、降低隔膜电阻对提高电池工作效率和稳定性,延长电池的使用寿命等有很大作用。目前国外制备的钠基电池在全充电状态下,电解质隔膜电阻约占全电池电阻的50%,因此降低隔膜阻值对提高电池整体性能有很大帮助。此外,由于目前管状钠基电池的工作温度较高,需要附加热管理设备,且维修重启耗时较长,不太适合日常民用。因此,国外已经开始研究开发低温化的和平板的zebra电池,由于较低温度下Na-β"/β-Al2O3电解质隔膜电导率相对较低,所以降低隔膜厚度对低温化平板zebra电池的开发应用至关重要。 本文采用电泳沉积方法制备Na-β"-Al2O3电解质隔膜,通过以下两个方面:提高β"-Al2O3相含量,优化微观结构,提高致密性,进而提高隔膜材料的电导率;通过降低陶瓷隔膜的厚度来降低隔膜阻值。本实验主要研究了原料组成、氧化钛添加量、烧结制度、沉积用粉料颗粒粒径、悬浮液溶剂分散剂选择、电泳参数等对产物性能的影响,并对各作用机理进行了分析。开展了优化电泳用粉料组成及制备过程的相关实验。研究表明在1200℃,预烧粉料已经含有Na-β"/β-Al2O3相结构。且原料组成中Al2O3与Na2O摩尔比为5.227时,预烧的电泳用粉料其β"-Al2O3相含量最高,达到87.2%,其摩尔比小于理论摩尔比(5.33)。在1580℃下烧结15min,得到的β"-Al2O3相含量最高,可达90.6%。在一定电场强度下,当悬浮液中固含量较高时,由于颗粒在分散介质中浓度高,粒子在相同时间内移动到极板的量较多,可能发生排布不均,导致沉积层表面粗糙,内部结构疏松。当悬浮液的固含量适中时,一定的电场强度可以使颗粒紧密排列。而当场强过高时,颗粒迁移速率大因而沉积较快,会导致颗粒排列不够均匀致密,导致沉积产物结构疏松。采用平均粒径341nm的用粉料,当悬浮液固含量为40g/L时,基板间距2cm,施加150V直流电压,电泳沉积5~7min,能得到光滑且较薄的相对致密沉积层。在正丙醇、异丙醇、正丁醇三种醇溶剂中,通过颗粒表面碱性活性点的作用吸附悬浮液中质子化醇和微量质子而带正电。其中,以异丙醇作为溶剂,添加相对粉料质量4%的三乙醇胺,能达到颗粒zeta电位高且悬浮液电导率低的效果,适合电泳沉积实验。氧化钛掺杂,有利于提高产物中β"-Al2O3相的相对含量,且适量氧化钛的添加,有利于提高微观结构的致密度。在氧化钛添加量为相对粉料质量的1%时,产物具有较为致密的微观结构和较高的钠离子电导率。在350℃时,达到了0.11 Scm-1,且其厚度仅有300~400μm。