CN103121852B - 一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚，该氧化镁坩埚由电熔氧化镁粉末、重质氧化镁粉末、三氧化二钇粉末、二氧化锆粉末、三氧化二铝粉末、二氧化硅粉末和氧化钙粉末按一定比例混合后，通过等静压成型和烧结制备而成。本发明还公开了一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚的制备方法。本发明公开的氧化镁坩埚能够对固体电解质Na-β″-Al2O3陶瓷管在烧结过程中提供碱性气氛保护，在坩埚内形成“富钠”气氛，抑制了电解质陶瓷管制品中的钠成分快速挥发，同时大大地降低传统电解质陶瓷管采用铂金坩埚封包滚烧工艺的生产和管理成本。
Description
技术领域
本发明涉及钠硫电池制备技术，尤其涉及一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚及其制备方法。
背景技术
固体电解质Na-β″-Al2O3陶瓷具有良好的Na+传导性能，在常温下其离子电导率可达到10-2S/cm数量级，高性能的Na-β″-Al2O3陶瓷管是钠硫储能电池系统的核心组件。在应用过程中，要求Na-β″-Al2O3陶瓷具有高的离子电导率、高强度以及均匀致密的显微结构。固体电解质Na-β″-Al2O3在高温下烧结成瓷的过程是电池制备中的关键步骤，对于电池的组装、性能和制造成本有着决定性的影响。
传统工艺中，钠硫电池固体电解质Na-β″-Al2O3陶瓷管烧结采用的是滚动烧成工艺，以高密度氧化铝管为外套管，Na-β″-Al2O3素坯管被铂金属坩埚密封包裹后水平放置在氧化铝外套管中，使用铂金坩埚封包Na-β″-Al2O3素坯管的主要原因是保护烧结气氛。在烧结过程中，为保证电解质陶瓷管的圆整度和垂直度，氧化铝外套管需一直处于滚动状态。采用滚动烧成工艺一直存在以下问题：(1)烧结过程中需使用大量贵金属铂(所用贵金属铂与烧成电解质陶瓷管质量之比约为1.5∶1)，但铂的价格十分昂贵，极大地增加了电解质陶瓷管的生产成本，不利于其工业化进程；(2)固体电解质Na-β″-Al2O3陶瓷管在烧结时一直处于滚动状态，管体与外包坩埚不停接触，陶瓷管壁可能会出现微裂纹和微孔等微小缺陷，或者受到坩埚的污染而引入其它杂质，影响电解质陶瓷管和电池的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供了一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚，该氧化镁坩埚由若干原料组份按一定比例混合后，通过等静压成型和烧结制备而成，其中，各原料组份及其重量百分比如下：
电熔氧化镁粉末 30-80％；
重质氧化镁粉末 10-40％；
三氧化二钇粉末 1-10％；
二氧化锆粉末 0.1-3％；
三氧化二铝粉末 0.1-3％；
二氧化硅粉末 0.1-3％；
氧化钙粉末 0.1-3％；
所有原料组份的重量百分比之和为100％。
上述的一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚，其中，所述原料组份的粉末粒度范围如下：电熔氧化镁粉末60-75μm，重质氧化镁粉末5-7μm，三氧化二钇、二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙粉末粒径均小于5μm。
上述的一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚，其中，所述原料组份的纯度要求为：电熔氧化镁粉末≥99％、重质氧化镁粉末≥99％、三氧化二钇、二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙粉末纯度均≥99.9％。
本发明还提供了一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料组份按一定比例混合，用干式混料机混合均匀；
(2)将混合均匀的原料组份注入等静压成型胶套模具中进行等静压成型，成型压力为130-200MPa，保压时间20s，退压后形成氧化镁坩埚生坯；
(3)将氧化镁坩埚生坯放入高温气烧炉中进行烧结，烧成温度为1780-1860℃，保温时间3h，空气气氛，冷却后除去，得到氧化镁坩埚毛坯；
(4)对氧化镁坩埚毛坯进行机械加工，使其达到所需尺寸。
本发明氧化镁坩埚在陶瓷管烧结过程中能在坩埚内形成了一定的“富钠”气氛，抑制了电解质陶瓷管制品中的钠成分快速挥发，起到了保护烧结气氛作用，取代了现有的铂金坩埚，大大地降低陶瓷管的生产和管理成本。本发明氧化镁坩埚的使用温度超过1650℃，耐钠硫电池固体电解质Na-β″-Al2O3管合成时所产生的钠蒸气腐蚀，且具有良好的抗热震性能。
同时，在陶瓷管烧结时，只需将Na-β″-Al2O3素坯管竖直放入本发明氧化镁坩埚中，电解质Na-β″-Al2O3陶瓷管与本发明氧化镁坩埚之间没有直接接触，消除了传统滚烧工艺碰撞产生缺陷和杂质污染的可能性，更有利于提升电解质陶瓷管性能的稳定性，增加陶瓷管烧成的成品率和可靠性。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1
将65重量份的电熔氧化镁粉末、26重量份的重质氧化镁粉末、5重量份的三氧化二钇粉末、1重量份的二氧化锆粉末、1重量份的三氧化二铝粉末、1重量份的二氧化硅粉末、1重量份的氧化钙粉末投入混料机中混合4h，其中电熔氧化镁粉末颗粒范围为60-75μm、重质氧化镁粉末为5-7μm、其余原料组份均小于5μm，且所有原料组份的纯度均大于99％。
混合均匀后，注入等静压成型胶套模具中，200MPa作用下保压20s，退压取出得到氧化镁坩埚生坯。
将氧化镁坩埚生坯放入洁净的高温气烧炉中，空气气氛烧至1780℃，保温3h，冷却后取出，得到氧化镁坩埚毛坯。
采用平面磨床与外圆磨床加工氧化镁坩埚毛坯，使其达到所需尺寸。
实施例2
将70重量份的电熔氧化镁粉末、21重量份的重质氧化镁粉末、4重量份的三氧化二钇粉末、1重量份的二氧化锆粉末、2重量份的三氧化二铝粉末、1重量份的二氧化硅粉末、1重量份的氧化钙粉末投入混料机中混合4h，其中电熔氧化镁粉末颗粒范围为60-75μm、重质氧化镁粉末为5-7μm、其余原料组份均小于5μm，且所有原料组份的纯度均大于99％。
混合均匀后，注入等静压成型胶套模具中，190MPa作用下保压20s，退压取出得到氧化镁坩埚生坯。
将氧化镁坩埚生坯放入洁净的高温气烧炉中，空气气氛烧至1830℃，保温3h，冷却后取出，得到氧化镁坩埚毛坯。
采用平面磨床与外圆磨床加工氧化镁坩埚毛坯，使其达到所需尺寸。
实施例3
将68重量份的电熔氧化镁粉末、24重量份的重质氧化镁粉末、4重量份的三氧化二钇粉末、1重量份的二氧化锆粉末、1重量份的三氧化二铝粉末、1重量份的二氧化硅粉末、1重量份的氧化钙粉末投入混料机中混合4h，其中电熔氧化镁粉末颗粒范围为60-75μm、重质氧化镁粉末为5-7μm、其余原料组份均小于5μm，且所有原料组份的纯度均大于99％。
混合均匀后，注入等静压成型胶套模具中，180MPa作用下保压20s，退压取出得到氧化镁坩埚生坯。
将氧化镁坩埚生坯放入洁净的高温气烧炉中，空气气氛烧至1800℃，保温3h，冷却后取出，得到氧化镁坩埚毛坯。
采用平面磨床与外圆磨床加工氧化镁坩埚毛坯，使其达到所需尺寸。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (1)
1.一种合成钠硫电池固体电解质用氧化镁坩埚，其特征在于，所述氧化镁坩埚由若干原料组份按一定比例混合后，通过等静压成型和烧结制备而成，其中，各原料组份及其重量百分比如下：
所述原料组份的粉末粒度范围如下：电熔氧化镁粉末60-75μm，重质氧化镁粉末5-7μm，三氧化二钇、二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙粉末粒径均小于5μm，
所述原料组份的纯度要求为：电熔氧化镁粉末≥99%、重质氧化镁粉末≥99%、三氧化二钇、二氧化锆、三氧化二铝、二氧化硅、氧化钙粉末纯度均≥99.9%。
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| CN103121852A CN103121852A (zh) | 2013-05-29 |
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