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近些年来,钠离子电池(钠/硫和钠/金属氯化物)因其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、成本低等诸多特点,近来科学家开始纷纷研究其在储能方面的应用。而钠离子电池所用固体电解质为Na-β"-Al2O3陶瓷,其性能对整个电池的性能有着重要的影响,因而近年来被广泛研究。 传统方法制备Na-β"-Al2O3电解质一般是利用固相合成法,此方法需要很高的反应温度和较长的时间,这使得电解质中有效成分Na2O在高温下挥发损失,严重影响了电解质管的导电性能。相对于固相反应过程,湿化学反应路线,如溶胶凝胶法、溶液燃烧合成法、共沉淀法等,对于陶瓷材料的合成是一个较好的选择。湿化学方法使反应试剂可以在分子水平上混合,使反应物能充分反应从而得到高质量的样品。本论文用溶胶凝胶法制备MgO稳定的固体电解质Na-β"-Al2O3,研究了预烧温度、高温烧结制度对最终产品性能的影响,并研究了8mol%Y2O3稳定的ZrO2和TiO2掺杂对样品性能的影响并讨论其机理,并比较和讨论不同成分样品的机械强度和电性能。我们通过借助X射线衍射仪(XRD),扫描电子显微镜(SEM),差示扫描量热仪(TG/DSC),系统的分析了前驱体粉末和高温烧结样品,还表征和讨论了烧结样品的相对密度,机械强度和离子电导率。 研究表明,当柠檬酸与金属阳离子摩尔比值为1.0时,β"相的相对含量最高为79.13%,相对密度在94%(表观密度约2.97g.cm-3)左右,机械强度在110MPa左右,300℃时钠离子电导率在0.012 S·cm-1左右。溶胶凝胶制备Na-β"-Al2O3过程中,亚稳态过度相m-Al2O3的存在更有利于形成β"-Al2O3固体电解质。前躯体粉末的煅烧温度是影响样品中β"相纯度的关键因素,当粉末煅烧温度为950℃时,烧结样品中β"相的纯度是84.1%,此外,该样品在300℃时的离子电导率是0.016S·cm-1;样品在950℃预烧后,在1590℃左右烧结30分钟,得到β"相的相对含量最高,可达到91.95%,电导率达到0.025S·cm-1。 TiO2掺杂对提高样品的电性能起到重要的作用,但是过量的TiO2掺杂会降低样品的机械强度;而8Y-ZrO2掺杂可以提高样品的机械强度,但是过量的8Y-ZrO2掺杂会降低样品的电性能。实验表明,掺杂量对最终样品的性能起到关键作用,当样品掺杂1.0wt% TiO2(1.5wt% C16H36O4Ti)时,样品的β"相含量为90.28%,微观结构比较致密均匀,相对密度达到99.8%(约3.15g.cm-3左右);而且,样品的机械强度和钠离子电导率达到180MPa和0.17S·cm-1(300℃)。过量的TiO2掺杂会促使β相的生成,使微观结构松散产生气孔,从而降低样品的机械强度和钠离子电导率。当8Y-ZrO2的掺杂量为20wt%时,样品的机械强度达到309MPa,但是样品的β"相含量和钠离子电导率降低到71.21%和0.049S·cm-1(300℃)。当样品掺杂1.0wt% TiO2的同时掺杂10wt%的8Y-ZrO2,样品的机械强度提高到190MPa的同时,样品的β"相含量和钠离子电导率可以保持在88.54%和0.16S·cm-1(300℃),所有共同掺杂样品的相对密度都在98%以上。所以为了提高样品机械强度的同时不降低样品的电性能,TiO2和8Y-ZrO2的最佳掺杂量分别在1.0 wt%和5-10wt%。