电泳沉积制备复合设计 学位论文.docx

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电泳沉积制备复合设计学位论文

xx工业大学毕业论文

题目电泳沉积制备复合β"-Al2O3

学生姓名

学号

专业

金属材料与工程

班级

金属

指导老师

教授

2013年6月

电泳沉积制备复合β"-Al2O3

摘要

电泳沉积是指在胶体溶液中对电极施加电压时，胶体粒子移向电极表面放电而形成沉积层的过程。

β"-的钠离子电导率远高于β-，β"相的纯度越高，电性能越好，这使得它在能源领域中有重要应用。

本研究将β"-固体电解质结构改为复合式，由致密层和多孔基体层组成，多孔基体允许钠离子自由通过，实际电阻取决于致密β"-层。

本实验以β"-Al2O3粉料和掺杂1%TiO2的β"-Al2O3粉料为主要原料，正戊醇为溶剂，三乙醇胺为分散剂，硬脂酸铝为多孔层的造孔剂，用电泳沉积法制备β"-Al2O3复合电解质。

复合电解质由致密层与多孔层构成，通过本实验得知：

在沉积电压为200V和沉积时间为300S、三乙醇胺的加入量为β"-Al2O3粉料质量的10%时，致密层结晶完善，粒径均匀，致密度高；在复合层中加入β"-Al2O3粉料质量1%的硬脂酸铝，进行共沉积，烧结过程中硬脂酸铝分解，可以使晶粒细化，并形成均匀的空隙。

由于钠离子可以在多孔层空隙中穿过，由致密层与多孔层形成的复合电解质相对于单一的致密层有着较高的电导率，且β"-Al2O3复合电解质的电导率随着加热温度的升高而提高，材料的活化能为0.5eV。

关键词：

电泳沉积β″-固体电解质

Fabricationofelectrophoreticdepositioncompositeβ"-

Abstract

Electrophoreticdeposition（EPD）referstothecolloidalsolutioninthevoltageappliedtotheelectrodes,theelectrodetowardthesurfaceofthecolloidalparticlesdepositedlayerformedbythedischargeprocess.β"-thesodiumionconductivityhigherthanβ-,β"phase,thehigherthepurity,thebetterelectricalproperties,whichmakesitintheenergysectorhasimportantapplications.Inthisstudy,β"-solidelectrolytestructuretoacompoundbyadenselayerandaporoussubstratelayer,aporoussubstratetoallowfreepassageofsodiumions,theactualresistancedependsdenseβ"-layers.Thisexperimenttoβ"-Al2O3powderand1%TiO2dopedofβ"-Al2O3powderasarawmaterial,n-amylalcoholasthesolventasdispersanttriethanolaminestearate,aluminumporeporouslayer,EPDmethodβ"-Al2O3compositeelectrolyte.

Compositeelectrolytelayerandaporouslayerofdensestructure,bythisexperimentthat:

thedepositionvoltageof200Vandadepositiontimeof300S,TEAisaddedinanamountβ"-Al2O3powder,10%bymass,thecrystallizationandthedenselayer,uniformparticlesize,highdensity;,thecompositelayerwasaddedβ"-Al2O3powdermassof1%aluminumstearateaddedinanamountofβ"-Al2O3powdermassto1%polyacrylicacidisnotaddedforco-deposition,aluminumstearatedecompositionduringsintering,thegrainrefinementcanandformauniformgapduetotheporouslayerofsodiumionspassingthroughthegap,thedenselayerandtheporouslayerwithrespecttoasinglecompositeelectrolyte,thedenselayercanbepreparedwithahighelectricalconductivityisgoodandarelativelyhighβ"-Al2O3compositeelectrolyte.Throughthisexperimentcanbelearned,and:

β"-Al2O3compositeconductivityoftheelectrolyteisheatedwiththeincreaseofthetemperatureincrease,theactivationenergyofthematerial0.5eV.

KeyWords:

EPD;β″-;solidelectrolyte

第一章文献综述

1.1引言

由于电池的供电性能与电池的电阻有关，电池的电阻与电池的结构息息相关。

电池的基本构成部分包括阴极，阳极，电池溶液，电池溶液含有电解质，所以电池的电阻与电池的电解质有关。

电解质的电阻又与电解质的种类和结构息息相关。

由于多孔型复合结构的固体电解质电阻小，特别是钠氯化镍电池及钠硫电池中的钠离子容易通过多孔型复合结构的固体电解质中的小孔，导致电解质的电阻就很小，所以现在需要制备这种多孔型复合结构的固体电解质，β"-固体电解质就是其中的一种多孔型复合结构固体电解质。

制备这种多孔型复合结构电解质的方法有很多，其中电泳沉积法就是其中的一种。

现在基本上都是采取电泳沉积的方法制备这种固体电解质。

光制备好β"-固体电解质是不够的，必须要经过严格的实际测试后才能把这种电解质应用到电池中，特别是钠氯化镍电池及钠硫电池中。

测试β"-固体电解质的方法有很多，比如用X射线衍射（XRD）分析β"-复合电解质的物相结构；用扫描电镜（SEM）或TM300观察β"-复合电解质的表面形貌。

用四探针法分析β"-复合电解质电导率。

1.2固体电解质

1.2.1固体电解质的定义

固体电解质是在一定温度以上具有离子导电性质的一类固体物质[1]。

固体电解质又称快离子导体或超离子导体，我们倾向于采用快离子导体[2]。

1.2.2固体电解质的特点

固体电解质的主要特征是离子具有类似于液体的快速迁移性[3]。

固体电解质有一下几点特点：

（1）良好的固体电解质材料应具有非常低的电子电导率；

（2）固体电解质既保持固态特点，又具有与熔融强电解质或强电解质水溶液相比拟的离子电导率。

（3）结构特点不同于正常态离子固体，介于正常态与熔融态的中间相------固体的离子导电相。

（4）导电相在一定的温度范围内保持稳定的性能，为区分正常离子固体，将具有这种性能的材料称为快离子导体。

（5）在使用条件下热力学稳定。

1.3β"-电解质

1.3.1β"-电解质的特点

β"-的钠离子电导率远高于β-，在300℃时电导率可达0.2-0.3S·cm-1，并且β"相的纯度越高，电性能越好，这使得它在能源领域中有重要应用，如高能蓄电池、钠热机等。

单相低阻值的β″-电解质将会增加电池的功率密度。

同时，高致密度、均一细颗粒结构有利于提高电池可靠性和寿命。

但在高温烧结时，β"-于1550℃时会不可逆转的转变为β-，这样在高温形成β"-时，总是会出现β-，降低产物的钠离子电导率，因此需掺杂一定量MgO或Li2O，稳定β"-。

在钠氯化镍电池体系中，近乎50%的电阻来源于β"-固体电解质[4]。

目前所用β"-固体电解质电导率已接近单相纯物质的电导率，提升空间有限。

如何进一步减小固体电解质电阻成为束缚钠氯化镍电池性能的瓶颈。

固体电解质电阻主要包括晶粒电阻和晶界电阻。

一般来说，固体电解质的晶粒电阻由材料本身性质决定，而晶界电阻则与制备工艺密切相关。

致密性对材料晶界电阻的影响极大，因此，提高材料致密度是获得低电阻固体电解质的有效途径。

为获得高致密度材料，往往要提高材料烧结温度，但β"-固体电解质在高温时容易造成钠离子流失，并发生晶型转化为β-，因此烧结温度就被局限到特定温度而不能一味提高。

要提高材料致密度，必须另寻途径。

Chih-JenWang等[5]发现，添加Ti对高纯a-的烧结性能有很大帮助，材料的强度及断裂韧性等有很大提高。

β"-固体电解质与a-有一定相似性，本研究将针对Ti对β"-固体电解质的烧结性能影响机理展开研究，获得提高β"-固体电解质致密度的方法。

另一方面，在获得均一颗粒尺寸、结构致密的β"-固体电解质的基础上，进一步降低材料的内阻，将是β"-固体电解质的一大突破，并对beta-电池的发展产生重大影响。

优良的β"-固体电解质中单个的晶粒电阻与晶界电阻是相对固定的，总电阻为钠离子从电解质一侧传递到另一侧所遇到晶粒电阻与晶界电阻的叠加。

即电解质越薄，电阻越小，但由于强度等方面的需要，固体电解质的厚度一般为1-2mm，若将固体电解质厚度大大减小，整个电池电阻大幅下降，电池性能将得到质的提高。

本研究将β"-固体电解质结构改为复合式，由致密层和多孔基体层组成。

多孔基体允许钠离子自由通过，实际电阻取决于致密β"-层。

可以选用的成型方法主要有等静压成型、离子喷溅、注浆成型、电泳沉积等。

等静压成型是传统的成型方式，形状复杂的样品脱模困难，不适合本研究中提出的复合电解质；离子喷溅对设备要求高，操作难度大；注浆成型需加入较大比例的石蜡或有机物，导致材料致密度不高；电泳沉积法具有设备简单、沉积速率高、可低温操作、可控膜厚范围宽、成本低、适合大规模工业生产等优点，特别适合于本研究提出的复合β"-固体电解质的制备。

1.3.2β"-电解质的制备工艺

传统制备β″-的方法主要是固相反应法，近年来又发展了溶胶凝胶法、共沉淀法、微波法、电泳沉积等方法。

目前产业化批量生产还主要是固相烧结工艺，以日本NGK和我国中科院上海硅酸盐研究所为代表。

NGK[6]以高纯-、Na2CO3、Mg（OH）2为原料，经造粒成型后，经过特殊烧结工艺制得β"-Al2O3管状产品，现已商业化并成功应用于钠硫电池。

上海硅酸盐研究所是我国β"-Al2O3陶瓷的主要研究机构[7]，以林祖纕、温兆银为首的科研队伍在过去的十几年中做了大量研究，用反应烧结法和部分合成法制备出β"-Al2O3固体电解质陶瓷，研究烧成条件和退火条件对β"-Al2O3固体电解质陶瓷的性能影响，并在Li2O和MgO对β"-陶瓷的稳定性，ZrO2对材料显微结构的控制和材料强度的影响等方面