[发明专利]一种致密亚微米晶β″‐Al2

说明书

本发明提供了一种致密亚微米晶β‑Al₂O₃制品，其晶粒尺寸小于或者等于3μm，并且其致密度大于或者等于95％，该β‑Al₂O₃制品能够满足电池电解质、气体传感器，钠金属提纯等诸多领域获的实际需求。本发明还提供了一种采用固相反应制备β‑Al₂O₃粉体，结合液相辅助两段烧结制备β‑Al₂O₃制品的方法，该方法能够获得粒径小、致密度高的β‑Al₂O₃制品，并且在烧结过程中能够控制烧结温度在1450℃及以下，从而显著抑制了烧结过程中的Na元素扩散问题，简化了装置，降低了成本。

技术领域

本发明涉及β-Al₂O₃技术领域，具体涉及一种致密亚微米晶β-Al₂O₃制品、其制备方法与应用。

背景技术

β-Al₂O₃是一种钠离子导体材料，因其在300℃即可具备高的钠离子电导率 (约0.2-0.4S/cm)而在高温钠电池(例如钠硫电池，钠-氯化镍电池(Zero Emission BatteryResearch Activities,ZEBRA))，气体传感器，钠金属提纯等诸多领域获得应用。在高温钠电池中，β-Al₂O₃一般作为电解质材料使用。其中， Na_1.67Al_10.67Mg_0.67O₁₇，Na_1.67Al_10.33Li_0.33O₁₇是β-Al₂O₃的两个经典分子式，在实际作为电解质使用时，为了提高强度通常会在其中加入一定量(≤50％)的掺杂 ZrO₂。

目前，通常采用烧结技术制备β-Al₂O₃块体制品，但是受制备技术限制，β-Al₂O₃烧结制品的晶粒尺寸在数十微米，并且机械强度较差。当β-Al₂O₃烧结制品作为电池中的电解质使用时，为了保证可靠性通常需要控制其厚度在2mm 以上，从而增加了电池内阻、增加了电池工作温度、影响了电池性能。为了增加β-Al₂O₃制品的致密度而提高其机械强度，目前烧结温度一般在1580℃以上，但是该烧结温度较高，导致严重的Na元素扩散，从而需要在烧结过程中对制品实行严格的密封，造成烧结装置复杂，效率低，成本高。

为了降低β-Al₂O₃制品的晶粒尺寸，同时提高其致密性，研究者采取了各种手段。南京工业大学杨辉教授课题组在文献：L.-P.Yangetal. CeramicsInternational40(2014)9055–9060中报道采用溶胶凝胶技术合成高活性纳米粉体，结合TiO₂助烧剂获得了粒径数微米的β-Al₂O₃-ZrO₂电解质，其机械强度有所提升，约200Mpa。美国PNNL国家实验室在文献：X.Lu et al.Journal of Power Sources 295(2015)167-174中报道采用TiO₂与MnO₂的助烧获得烧结制品的晶粒尺寸为数微米，最高密度为98.5％，但是该制品的SEM图片显示烧结样品中仍然残留有大量孔洞。

发明内容