钠电池固体电解质封接及材料设计与制备

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以风能、太阳能、海洋能源等为代表的可再生能源的有效开发和利用将成为未来人类所需能源的新途径。将这些由可再生能源发电生成的不稳定的电能储存并释放稳定的电能是新能源开发和利用的关键。储能也成为实现智能电网建设的关键技术之一。钠电池是一类通过钠离子在正极和负极之间传导伴随电子得失而实现电能和化学能转换的高性能储能电池，它们具有高比能量、高比功率、工作温度稳定，对环境友好以及原材料丰富、价格低廉有利于大规模生产等优点。钠电池的安全性是实用型钠电池的基础。钠电池采用全密闭结构，电池的正负极工作室之间是严格隔离的，与电池正负极同时接触的部件有多个，这些部件之间通过各种材料和技术组合在一起。钠电池中Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷是最核心的材料和关键的技术。在各种部件及其组合中，绝缘陶瓷alpha-Al2O3和Na-beta-Al2O3之间的封接尤为重要。alpha-Al2O3和Na-beta-Al2O3均是一定脆性的陶瓷，两个部件之间通常采用脆性更大的玻璃进行封接组合。除了玻璃材料本生高脆性、低强度等缺点以及传统玻璃封接中由“三相两界面”的引入会导致封接性能较差，玻璃材料中通常存在的如Ca等元素会渗入到Na-bata-Al2O3中，并在Na-bata-Al2O3晶界处形成绝缘体影响固体电解质的导电性。围绕提高钠电池中绝缘陶瓷alpha-Al2O3和Na-beta-Al2O3之间的封接性能以及钠电池用Na-beta-Al2O3固体电解质材料结构设计、制备进行系统研究。具体研究内容概述如下：1. 从alpha-Al2O3/玻璃/ Na-beta-Al2O3封接部件界面优化出发，采用气-固相反应法在alpha-Al2O3陶瓷表面原位生长一层厚度可控的Na-beta-Al2O3梯度膜，以此来实现被封接材料两侧的界面同相化，提高润湿对称性，保证封接部件的抗热震性能以及封接强度。还将采用玻璃粉末高温渗入方法优化alpha-Al2O3与玻璃的界面性能。2. 设计并制备由alpha-Al2O3相向Na-beta-Al2O3相梯度变化的陶瓷基功能材料，替代玻璃用作钠电池中绝缘陶瓷alpha-Al2O3和Na-beta-Al2O3之间的封接材料，提高封接性能，保证电池的安全性和稳定性。可以有效解决玻璃封接中由于封接部件两侧材料热膨胀等性质差异以及玻璃脆性和热循环过程成分挥发导致封接性能下降的问题。3. 鉴于Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷制备过程中，由于复杂的相变以及特有的液相烧结过程导致一定程度的蠕变，使得烧结后陶瓷管的尺寸在一定程度上变化，影响材料的封接和梯度材料的制备。因此，对Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷的成相-烧结过程进行必要的研究。4. 采用PVP为络合剂，以sol-gel为手段实现对Mg2+稳定Na-beta-Al2O3粉体的制备以达到优化Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷性能的目的。5. 对Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷结构进行设计，制备出具有多孔衬底-致密膜复合结构的Na-beta-Al2O3固体电解质陶瓷，降低固体电解质陶瓷厚度，降低Na+离子在陶瓷体的扩散距离，达到降低电阻的目的。多孔的衬底材料(Na-beta-Al2O3电解质)具有Na+离子容易通过能力的同时，其多孔表面可以大大提高了液态Na对陶瓷材料的润湿性。此外，多孔的衬底也是电解质膜的支撑材料，使得整个电解质有一定的机械性能，保证使用的可靠性。