CN111261935A - 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用 Download PDF

Info

Publication number
CN111261935A
CN111261935A CN202010141886.7A CN202010141886A CN111261935A CN 111261935 A CN111261935 A CN 111261935A CN 202010141886 A CN202010141886 A CN 202010141886A CN 111261935 A CN111261935 A CN 111261935A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sodium ion
equal
ion conductor
solid electrolyte
alternating current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010141886.7A
Other languages
English (en)
Inventor
刘金铃
任科
王一光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan Gushu Material Technology Co Ltd
Original Assignee
Sichuan Gushu Material Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan Gushu Material Technology Co Ltd filed Critical Sichuan Gushu Material Technology Co Ltd
Priority to CN202010141886.7A priority Critical patent/CN111261935A/zh
Publication of CN111261935A publication Critical patent/CN111261935A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0561—Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of inorganic materials only
    • H01M10/0562—Solid materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/054—Accumulators with insertion or intercalation of metals other than lithium, e.g. with magnesium or aluminium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065—Solid electrolytes
    • H01M2300/0068—Solid electrolytes inorganic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

本发明公开了一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将钠离子导体固体电解质前驱体粉末模压得到坯体；步骤2：将步骤1中的坯体加热到预设温度T，并保温15 min，其中30°C 0≤T≤1000°C；步骤3：将步骤2加热后的坯体放入交流电场内，在预设交流电场频率f和交流电场强度E下发生闪烧；其中10 V/cm≤E≤300 V/cm，10 HZ≤f≤1000 HZ；步骤4：发生闪烧后保持预设电流密度j一定预设时间t；去掉施加交流电场，将坯体冷却到室温，即可得到所需钠离子导体固体电解质块体；其中10≤j≤200 mA/mm2；本发明能够在低温快速制备钠离子导体固体电解质材料，能有效减少传统高温制备过程中带来的钠等易挥发成分的损失造成的第二相析出，从而改善固体电解质性能。

Description

一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及导体固体电解质材料制备方法，具体涉及一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用。
背景技术
近年来，全固态电池以其稳定性好、无泄漏、能量密度高，安全性能好等特点收到人们广泛关注。相比于全固态锂电池，钠资源存量丰富、易得、成本低廉，因此全固态钠离子电池在大规模能源存储方面的应用受到越来越多的注意。钠离子导体电解质材料是全固态钠离子电池的关键。NASICON型材料具有良好的钠离子导电性能，是被广泛研究的钠离子导体电解质材料之一。
通常必须经过高温致密化才能使得该材料具有高的电导率。然而较高的粉体合成和烧结温度，较长的烧结时间往往会造成材料中易挥发成分(钠和磷)的损失，从而造成第二相析出，降低材料的电导率。因此降低材料烧结温度，缩短烧结时间，从而减少钠和磷的挥发，对得到高性能的钠离子导体至关重要。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种能在低温条件下实现钠离子导体材料快速制备的一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用。
本发明采用的技术方案是：一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将钠离子导体固体电解质前驱体粉末模压得到坯体；
步骤2：将步骤1中的坯体加热到预设温度T，并保温15min，其中30℃ 0≤T≤1000℃；
步骤3：将步骤2加热后的坯体放入交流电场内，在预设交流电场频率f和交流电场强度E下发生闪烧；其中10V/cm≤E≤300V/cm，10HZ≤f≤1000HZ；
步骤4：发生闪烧后保持预设电流密度j一定预设时间t；去掉施加交流电场，将坯体冷却到室温，即可得到所需钠离子导体固体电解质块体；其中10≤j≤200mA/mm2。
进一步的，所述步骤4中预设时间t范围为：0≤t≤600s。
进一步的，所述前驱体粉末为NASICON型，化学式为Na1+2w+x-y+z Mw (II)Mx (III)My (V)M2-w-x-y (IV)(SiO4)z(PO4)3-z(0≤x≤3)；其中M(II)为二价元素Zn2+,Mg2+,Cd2+,Ni2+,Mn2+,Co2+中的一种，M(III)为三价元素V3+,Sc3+,Cr3+,Al3+,Ga3+,Fe3+,In3+,Y3+,La3+～Lu3+中的一种，M(IV)为四价元素Ti4+,Zr4+,Hf4+,Ce4+,Sn4+,Si4+,Mo4+,Ge4+中的一种，M(V)为五价元素Nb5+,Ta5+,V5+,Sb5+,As5+中的一种。
进一步的，所述步骤2中所述t＝15min。
进一步的，所述前驱体粉末通过固相法、液相法或气相法中的任意一种制备得到。
一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体，所述钠离子导体电解质块体的室温电导为3.7×10-4S/cm～7.4×10-4S/cm。
一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体的应用，所述钠离子导体电解质块体在固态电池、气体传感器和离子传感器中的应用。
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法在电场的辅助下的低温快速制备，解决了传统制备方法中，高温和长时保温带来的成分挥发，既高效节能又能减少因成分挥发带来的第二相的形成，有效提高相纯度和材料性能；
(2)本发明方法在外加电场作用下进行制备，可通过调节外加电场参数：电场强度、电流密度和频率等闪烧参数，实现对材料制备过程的有效控制，最终控制样品密度及微观结构；
(3)本发明制备方法简单、易于操作，无需大型仪器协助，有利于钠离子导体材料的快速制备和应用推广；
(4)本发明制备得到的钠离子导体固体电解质材料，具有较高的相纯度，密度，可作为固体电解质材料应用于固态电池，气体传感器和离子传感器等领域。
附图说明
图1为本发明制备方法流程示意图。
图2为本发明实施例1闪烧的电流变化图。
图3为本发明实施例1和对照例1的XRD图谱。
图4为本发明实施例2和对照例2的XRD图谱。
图5为本发明实施例3的XRD图谱。
图6为本发明实施例4的XRD图谱。
图7为本发明实施例5和对照例3的XRD图谱和交流阻抗谱。
图8为本发明实施例6的交流阻抗谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将钠离子导体固体电解质前驱体粉末模压得到坯体；前驱体粉末为NASICON型，化学式为Na1+2w+x-y+z Mw (II)Mx (III)My (V)M2-w-x-y (IV)(SiO4)z(PO4)3-z(0≤x≤3)；其中M(II)为二价元素Zn2+,Mg2+,Cd2+,Ni2+,Mn2+,Co2+中的一种，M(III)为三价元素V3+,Sc3+,Cr3+,Al3+,Ga3+,Fe3+,In3+,Y3+,La3+～Lu3+中的一种，M(IV)为四价元素Ti4+,Zr4+,Hf4+,Ce4+,Sn4+,Si4+,Mo4 +,Ge4+中的一种，M(V)为五价元素Nb5+,Ta5+,V5+,Sb5+,As5+中的一种。
前驱体粉末是通过包括固相法(固相反应合成法、机械化学法等)，液相法(水热合成、溶胶凝胶合成、水解法、共沉淀法等)或气相法(燃烧法、溅射法等)在内合成的具有上述化学成分的粉体。
模压制得坯体是指将粉体置于模具中并施加压力得到具有一定致密度和强度的块体。
步骤2：将步骤1中的坯体加热到预设温度T，并保温15min，其中30℃ 0≤T≤1000℃；
加热到预设温度中，加热方式不限于将坯体置于加热炉中加热，也包括红外加热，激光加热等其它加热方式。保温时间不限于15min，也包含其它合适的时间，目的是让坯体获得均匀的温度分布。
步骤3：将步骤2加热后的坯体放入交流电场内，在预设交流电场频率f和交流电场强度E下发生闪烧；其中10V/cm≤E≤300V/cm，10HZ≤f≤1000HZ；
向坯体施加以交流电场使其发生闪烧，其中交流电场的强度根据材料不同、温度不同，发生闪烧所需的电场强度也有所不同。施加的交流电场的频率目的是使得材料得到结晶度高、纯度高的相所需频率即可，也不应做过多限制，交流电场其频率范围10HZ≤f≤1000HZ。
步骤4：发生闪烧后保持预设电流密度j一定预设时间t；去掉施加交流电场，将坯体冷却到室温，即可得到所需钠离子导体固体电解质块体；其中10≤j≤200mA/mm2。
闪烧发生到达预设电流密度后，保持电场一段时间，去掉所施加交流电场，将样品冷却到室温，得到烧结后具有一定致密度的钠离子导体电解质块体。根据不同材料、不同加热温度、预设电流密度和保持时间不同，会带来烧结后块体的致密度和微观结构不同，去掉外加电场后样品的冷却方式包括冷却冷却，随炉冷却和淬冷。
前驱体粉末通过固相法、液相法或气相法中的任意一种制备得到。
一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体，钠离子导体电解质块体的室温电导为3.7×10-4S/cm～7.4×10-4S/cm。
一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体的应用，钠离子导体电解质块体在固态电池、气体传感器和离子传感器中的应用。
实施例1
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用固相法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.99％Na2CO3、ZrO2、SiO2和NH4H2PO4作为原料。利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min；球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后，再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将取出PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加以频率为800Hz的交流电场，电场强度为60V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s。图2为闪烧过程中电流的变化图，去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对本实施例制备的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征，如图3所示。图3(a)为其XRD图谱。
对照例1
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉末的制备
采用固相法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.99％Na2CO3、ZrO2、SiO2和NH4H2PO4作为原料。利用高纯氧化锆磨球对上述原料粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min；球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到前驱体粉末。
步骤2：固相烧结制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后，再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将取出PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至800℃并保温300min。得到烧结后的钠离子导体块体。
对制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征。如图3b所示。从图3a和3b可以看出，传统800℃烧结5h有第二相Na2ZrSi2O7生成，闪烧700℃、30s得到纯度较高、结晶度较高的Na3Zr2(SiO4)2(PO4)相，还有少量杂质相。
实施例2
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入玻璃烧杯中加入去离子使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理去除水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min。球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后。再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将取出PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加以频率为50Hz的交流电场，电场强度为45V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s，去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征，如图4a所示。
对照例2
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入玻璃烧杯中加入去离子使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理去除水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min。球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后。再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将取出PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加以频率为50Hz的直流电场，电场强度为45V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s，去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征，如图4b所示。从图4a和图4b中可以看出溶胶凝胶法得到的粉体，经过交流电闪烧得到纯度较高的Na3Zr2(SiO4)2(PO4)相，当电场为直流时，由于离子在电场作用下定向运动，从而析出第二相(Na2ZrSi2O7和m-ZrO2)。
实施例3
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入去离子水使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3、ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理出去水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min，球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后，再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h。再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将去除PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加频率为800Hz的交流电场，电场强度为45V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度100mA/mm2，并保持电场30s。去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征。图5为其XRD图谱。从图中可以看出当电流密度增加到100mA/mm2时，导致样品温度过高，钠挥发形成m-ZrO2析出。而交流电闪烧样品得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)相。
实施例4
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入去离子水使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理出去水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min。球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后。再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h。再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将去除PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至400℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加频率为800Hz的交流电场，电场强度为100V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s。去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征。图6为其XRD图谱，可以看出炉温较低时，离子扩散受到限制，会出现像Na3Zr2(SiO4)2(PO4)之外的杂质相。
实施例5
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入去离子水使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理出去水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利于高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min。球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后，再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将去除PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加以频率为800Hz的交流电场，电场强度为45V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s。去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征。如图7a所示。
对照例3
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入去离子水使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理出去水分和分解硝酸根，最终得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min；球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：固相烧结制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后，再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h。再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将去除PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至1200℃并保温30min。得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射和交流阻抗谱表征。图7a和图7b为实施例5和对照例3的XRD图谱。可以看出交流电场得到Na3Zr2(SiO4)2(PO4)相，没有可以探测出的杂质相。传统1200℃烧结的样品，存在m-ZrO2杂质相。图7c和图7d为实施例5和对照例3的交流阻抗谱，闪烧得到的样品室温电导为3.7×10-4S/cm大于传统1200℃烧结的样品的室温电导2.4×10-4S/cm。
实施例6
钠离子导体固体电解质材料按照以下方法制备：
步骤1：钠离子导体前驱体粉体的制备
采用溶胶凝胶法制备组成为Na3.256Mg0.128Zr1.872(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。纯度为99.9％NaNO3，Mg(NO3)2，ZrO(NO3)2，正硅酸乙酯(TEOS)和NH4H2PO4作为原料。将上述四种原料分别放入玻璃烧杯中加入去离子水使用磁力搅拌进行溶解。当TEOS充分水解，将NaNO3，Mg(NO3)2，ZrO(NO3)2的混合溶液加入水解的TEOS中充分搅拌形成均匀混合物。再将NH4H2PO4加入到上述混合物中继续加热搅拌直至水分蒸发形成凝胶。将凝胶放入烘箱120℃烘干，随后在600℃热处理出去水分和分解硝酸根，最终得到Na3.256Mg0.128Zr1.872(SiO4)2(PO4)的前驱体粉体。
利用高纯氧化锆磨球对上述原料混合粉体进行球磨混合24h。其中，球磨介质为乙醇，转速为150r/min。球磨后得到浆料置于80℃烘箱烘干，得到较为细小的前驱体粉体。
步骤2：闪烧制备钠离子导体块体
将3wt％PVA水溶液加入到上述粉体中造粒并过筛，过筛所得粉体在4MPa模压60s之后。再在200MPa冷等静压10min，得到陶瓷坯体。将该陶瓷坯体加热至500℃并保温4h，再缓慢冷却至200℃后自然降至室温，从而去除其中的PVA。
将去除PVA的陶瓷坯体置于闪烧炉中加热至700℃并保温15min。在陶瓷坯体两端施加频率为800Hz的交流电场，电场强度为60V/cm。闪烧发生后样品到达预设电流密度60mA/mm2，并保持电场30s。去掉交流电场并降温，得到烧结后的钠离子导体块体。
对上述制备得到的钠离子导体材料块体进行X射线衍射表征。图8为其交流阻抗图谱。Na3.256Mg0.128Zr1.872(SiO4)2(PO4)的室温电导为7.4*10-4S/cm。
本发明将钠离子导体前驱体粉末成型并加热到预设温度，向成型坯体施加交流电场，得到结晶性能好，相纯度高，致密度高的钠离子导体固体电解质块体。该制备方法能够低温快速制备钠离子导体固体电解质材料，能有效减少传统高温制备过程中带来的钠等易挥发成分的损失造成的第二相析出，从而改善固体电解质性能；适宜作为一种高效的钠离子导体固体电解质材料的制备方法进行使用和推广。

Claims (7)

1.一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将钠离子导体固体电解质前驱体粉末模压得到坯体；
步骤2：将步骤1中的坯体加热到预设温度T，保温设定时间t，其中30℃0≤T≤1000℃；
步骤3：将步骤2加热后的坯体放入交流电场内，在预设交流电场频率f和交流电场强度E下发生闪烧；其中10V/cm≤E≤300V/cm，10HZ≤f≤1000HZ；
步骤4：发生闪烧后保持预设电流密度j一定预设时间t；去掉施加交流电场，将坯体冷却到室温，即可得到所需钠离子导体固体电解质块体；其中10≤j≤200mA/mm2。
2.根据权利要求1所述的一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中预设时间t范围为：0≤t≤600s。
3.根据权利要求1所述的一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体粉末为NASICON型，化学式为Na1+2w+x-y+zMw (II)Mx (III)My (V)M2-w-x-y (IV)(SiO4)z(PO4)3-z(0≤x≤3)；其中M(II)为二价元素Zn2+,Mg2+,Cd2+,Ni2+,Mn2+,Co2+中的一种，M(III)为三价元素V3+,Sc3+,Cr3+,Al3+,Ga3+,Fe3+,In3+,Y3+,La3+～Lu3+中的一种，M(IV)为四价元素Ti4+,Zr4+,Hf4+,Ce4 +,Sn4+,Si4+,Mo4+,Ge4+中的一种，M(V)为五价元素Nb5+,Ta5+,V5+,Sb5+,As5+中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所述t＝15min。
5.根据权利要求1所述的一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体粉末通过固相法、液相法或气相法中的任意一种制备得到。
6.采用如权利要求1～5所述任一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体，其特征在于，所述钠离子导体电解质块体的室温电导为3.7×10-4S/cm～7.4×10-4S/cm。
7.采用如权利要求1所述任一种钠离子导体固体电解质材料的制备方法得到的钠离子导体电解质块体的应用，其特征在于，所述钠离子导体电解质块体在固态电池、气体传感器和离子传感器中的应用。
CN202010141886.7A 2020-03-04 2020-03-04 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用 Pending CN111261935A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010141886.7A CN111261935A (zh) 2020-03-04 2020-03-04 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010141886.7A CN111261935A (zh) 2020-03-04 2020-03-04 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111261935A true CN111261935A (zh) 2020-06-09

Family

ID=70945722

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010141886.7A Pending CN111261935A (zh) 2020-03-04 2020-03-04 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111261935A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114477966A (zh) * 2021-12-22 2022-05-13 北京理工大学 一种细晶氧化物陶瓷的制备方法

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101811828A (zh) * 2009-02-23 2010-08-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 Nasicon结构微晶玻璃钠离子固体电解质及其制备方法
WO2013109622A1 (en) * 2012-01-16 2013-07-25 Ceramatec, Inc Lithium-ion-conducting materials
CN103718252A (zh) * 2011-08-12 2014-04-09 独立行政法人产业技术总合研究所 锂离子导电性物质、使用了该锂离子导电性物质的锂离子导电性固体电解质、锂离子电池的电极保护层、及该锂离子导电性物质的制造方法
CN105683127A (zh) * 2013-10-07 2016-06-15 昆腾斯科普公司 用于锂二次电池的石榴石材料和制造和使用石榴石材料的方法
CN106505248A (zh) * 2016-10-26 2017-03-15 中国地质大学（武汉） 一种玻璃陶瓷型固体电解质的制备方法
CN106797052A (zh) * 2014-08-22 2017-05-31 内华达高等教育系统董事会代表拉斯维加斯内华达大学 钠反钙钛矿固体电解质组合物
CN106848392A (zh) * 2017-03-28 2017-06-13 上海交通大学 抑制全固态电池中锂枝晶生长的固态电解质及其制备方法
CN108645204A (zh) * 2018-07-17 2018-10-12 浙江晨华科技有限公司 一种运用闪烧技术的烧结炉
CN109081691A (zh) * 2018-09-13 2018-12-25 长安大学 一种管状陶瓷制备方法
CN109357528A (zh) * 2018-08-14 2019-02-19 长安大学 一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法
US20190319275A1 (en) * 2018-04-13 2019-10-17 Alexander Sergeevich Kosyakov Metakoalin Solid Ionic Conductor and a Sodium-Ion Battery Using the Same
JP2019182689A (ja) * 2018-04-04 2019-10-24 国立大学法人名古屋大学 焼結体の製造方法および焼結体

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101811828A (zh) * 2009-02-23 2010-08-25 中国科学院上海硅酸盐研究所 Nasicon结构微晶玻璃钠离子固体电解质及其制备方法
CN103718252A (zh) * 2011-08-12 2014-04-09 独立行政法人产业技术总合研究所 锂离子导电性物质、使用了该锂离子导电性物质的锂离子导电性固体电解质、锂离子电池的电极保护层、及该锂离子导电性物质的制造方法
WO2013109622A1 (en) * 2012-01-16 2013-07-25 Ceramatec, Inc Lithium-ion-conducting materials
US9806372B2 (en) * 2013-10-07 2017-10-31 Quantumscape Corporation Garnet materials for Li secondary batteries and methods of making and using garnet materials
CN105683127A (zh) * 2013-10-07 2016-06-15 昆腾斯科普公司 用于锂二次电池的石榴石材料和制造和使用石榴石材料的方法
CN106797052A (zh) * 2014-08-22 2017-05-31 内华达高等教育系统董事会代表拉斯维加斯内华达大学 钠反钙钛矿固体电解质组合物
CN106505248A (zh) * 2016-10-26 2017-03-15 中国地质大学（武汉） 一种玻璃陶瓷型固体电解质的制备方法
CN106848392A (zh) * 2017-03-28 2017-06-13 上海交通大学 抑制全固态电池中锂枝晶生长的固态电解质及其制备方法
JP2019182689A (ja) * 2018-04-04 2019-10-24 国立大学法人名古屋大学 焼結体の製造方法および焼結体
US20190319275A1 (en) * 2018-04-13 2019-10-17 Alexander Sergeevich Kosyakov Metakoalin Solid Ionic Conductor and a Sodium-Ion Battery Using the Same
CN108645204A (zh) * 2018-07-17 2018-10-12 浙江晨华科技有限公司 一种运用闪烧技术的烧结炉
CN109357528A (zh) * 2018-08-14 2019-02-19 长安大学 一种利用电场辅助的陶瓷材料烧结炉及其控制方法
CN109081691A (zh) * 2018-09-13 2018-12-25 长安大学 一种管状陶瓷制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LORENA BATISTA CALIMAN等: "Flash sintering of ionic conductors: The need of a reversible", 《JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY》 *
谢志鹏,许靖堃,安迪: "先进陶瓷材料烧结新技术研究进展", 《中国材料进展》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114477966A (zh) * 2021-12-22 2022-05-13 北京理工大学 一种细晶氧化物陶瓷的制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2181971B1 (en) Glass and glass-ceramics
CN108793987B (zh) 一种锂离子传导氧化物固体电解质及其制备方法
CN109607505A (zh) 一种改善低温性能的磷酸铁锂的制备方法
CN111484042B (zh) 一种结晶态Li3OCl无机锂离子导体及其制备方法和应用
Liu et al. Synthesis of Li7La3Zr2O12 solid electrolyte by solid phase sintering method
CN113066978A (zh) 一种Ta表面掺杂的高镍单晶正极材料及制备方法
WO2021046906A1 (zh) 一种高室温离子电导率钠离子导体及其制备方法
CN111261935A (zh) 一种钠离子导体固体电解质材料、制备方法及应用
JP5678736B2 (ja) 固体電解質の前駆体溶液の製造方法と、固体電解質の製造方法
CN115732751A (zh) 卤化物固态电解质材料、其制备方法及锂离子电池
CN111763081B (zh) 一种焦磷酸盐复合电解质及其制备方法
Shimanouchi et al. Preparation and electric conductivity of Na3Al2 (PO4) 3 ceramic from a hydrothermally synthesized precursor
CN109081373B (zh) 一种固相剥离制备高分散稀土离子掺杂氯氧化铋二维纳米片的方法
Xu et al. Preparation of nanostructured Li1. 4Al0. 4Ti1. 6 (PO4) 3 glass-ceramics by a citrate process
CN111509290A (zh) 一种高陶瓷含量复合固体电解质及其制备方法
KR20130066770A (ko) 리튬이온전지용 리튬인산철 양극 활물질의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 리튬이온전지용 리튬인산철 양극 활물질
Wu et al. Rapid crystallization of Li1. 5Al0. 5Ge1. 5 (PO4) 3 glass ceramics via ultra‐fast high‐temperature sintering (UHS)
CN105428644B (zh) 一种具有薄片状微观形貌的镍锰酸锂正极材料的制备方法
CN115417667B (zh) 一种Nd2O3掺杂型Na-β(β″)-Al2O3固体电解质陶瓷材料及其制备方法
KR20190078296A (ko) Llzo 산화물 고체 전해질 분말의 제조방법
CN115504770B (zh) 一种过渡金属离子与Nd3+共掺杂型固体电解质陶瓷材料及其制备方法
CN115417659B (zh) 一种过渡金属离子与Dy3+共掺杂型固体电解质陶瓷材料及其制备方法
CN116178012B (zh) 一种高熵石榴石固态电解质陶瓷及其制备方法和应用
CN115417660B (zh) 一种Eu2O3掺杂型Na-β(β″)-Al2O3固体电解质陶瓷材料及其制备方法
CN115403358B (zh) 一种过渡金属离子与Eu3+共掺杂型固体电解质陶瓷材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200609