一種鈮酸鹽快離子導體及其製備方法與流程
2023-06-06 10:43:51 1
本發明屬於無機材料技術領域，具體涉及一種鈮酸鹽快離子導體及其製備方法。
背景技術：
隨著人類社會的發展以及工業化程度的進一步提高，開發高效、清潔、安全及經濟的新型綠色能源成為了未來能源發展的必然趨勢。由於離子導體具有重要的理論和實際應用價值，已在很多應用領域發展成為很有價值的材料或器件。作為離子導體中的一種材料，快離子導體材料，也稱固體電解質，在高性能儲能裝置、燃料電池新能源材料、鈉硫電池及氧分析器等領域的應用備受關注。比如氧離子導體和氫離子導體都可用作燃料電池的電解質隔膜，從而使可燃氣體與氧氣經電化學方法發生反應轉變為電能。用氧化鋯和其它快離子導體製成的氣體探測器，不僅可以控制汽車發動機和鍋爐燃燒室的燃燒過程以節約燃料和減少汙染，而且還可以監測一些有害氣體從而對環境保護作出貢獻。用na-β-al2o3作電解質的鈉-硫電池具有比鉛酸電池高4～5倍的能量密度，它既可用作車輛的動力源，也可作為貯能電池使用。用快離子導體製作的固體電池具有自放電小、貯存壽命長和抗振動等優點，已在心臟起搏器電子手錶、計算器和一些軍用設備上獲得應用。
高溫燃料電池作為快離子導體(固體電解質)中的一種應用，近年來備受關注。高溫燃料電池也稱固體氧化物燃料電池，它們大多為基於氧空位機理的高對稱的八面體和立方結構，如螢石基、鈣鈦礦基、bi2o3基等固體電解質材料，但近年來，人們在低對稱結構體系(如四面體、立方體、單斜等)中也尋找到高電導率的電解質材料，如黃長石結構體系，磷灰石結構體系，白鎢礦結構等體系材料，而且導電機理不局限於氧空位。另外，在已報導的固體電解質材料來看，普遍存在實用性能差的缺點，主要體現在：一、工作溫度過高，啟動時間長，器件各組分間化學和力學兼容性差；二、導電率低；只能在800-1000℃高溫下使用；三、還原氣氛下某些元素如ce部分還原成ce3+，致使產生電子導電，甚至某些固體電解質材料在還原氣氛下易分解；四、某些元素如ga的揮發，而且工藝複雜，組件間化學兼容性差。由此可見，在理論上，人們難以通過結構來判斷化合物是否具備作為快離子導體的應用；在實際應用上，人們難以找到具有實用的快離子導體材料，即具備較高的離子導電性、較低的工作溫度(500℃左右)、使用溫度下較高的熱穩定性及化學穩定性、大規模生產的可操作性等特點。目前鈮氧八面體構成的鈮酸鹽作為快離子導體鮮有報導，如能在鈮酸鹽體系中開發出新型快離子導體將是重要發現。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種用於快離子導體的鈮酸鹽sr3li6nb2o11及其製備方法。
本發明涉及的用於快離子導體的鈮酸鹽的化學表示式為:sr3li6nb2o11。
所述鈮酸鹽的製備方法具體步驟為：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細，取出烘乾得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘乾後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然後從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中650-700℃燒結，保溫6小時後，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本發明的優點：通過本製備方法得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11具有較高的離子導電性、使用溫度下具有較高的熱穩定性及化學穩定性；在燒結溫度下結構保持不變，在300-500℃時電導率為10-3～10-2s/cm，是一種優良的快離子導體材料。另外製備方法簡單、合成溫度低，綠色環保成本低，相對於其他固體電解質材料的溼化學法製備工藝，本方法更適合工業生產與應用。
附圖說明
圖1為sr3li6nb2o11樣品的晶體結構圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的說明，但本領域的技術人員了解，下述實施例不是對發明保護範圍的限制，任何在本發明基礎上的改進和變化都在本發明的保護範圍之內。
實施例1：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細，取出烘乾得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘乾後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然後從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中650℃燒結，保溫6小時後，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結果為300℃時電導率達到7.66×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到5.24×10-2s/cm。
實施例2：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細，取出烘乾得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘乾後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然後從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中680℃燒結，保溫6小時後，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結果為300℃時電導率達到8.56×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到5.74×10-2s/cm。
實施例3：
(1)將li2co3、srco3和nb2o5的原始粉末按sr3li6nb2o11的組成稱量配料並放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨2小時，混合均勻磨細，取出烘乾得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘乾後的粉末原料壓成柱狀樣品，置於陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然後置於管式爐中，600℃煅燒，保溫2小時，然後從600℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板並快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫後搗碎研磨成粉末；
(3)將步驟(2)研磨所得的粉末放入球磨罐中，加入直徑分別為2mm和7mm的氧化鋯球，粉末和氧化鋯球在球磨罐裡球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨後的粉末原料冷等靜壓20mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然後在馬弗爐中700℃燒結，保溫6小時後，自然冷卻至室溫，得到鈮酸鹽sr3li6nb2o11。
本實施例所得到的鈮酸鹽sr3li6nb2o11，在兩底面塗上金膠，在550℃下燒結1小時。使用solartron1260(英國solartron公司)阻抗分析儀在不同溫度下測定其交流阻抗。測定結果為300℃時電導率達到8.41×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到5.21×10-2s/cm。
由於鈉離子和鋰離子在快離子導體中經常作為遷移離子，又考慮到sr和ba，nb和ta具有類似的化學性質，因此在本申請的實驗條件下，製備sr3na6nb2o11、ba3li6nb2o11以及sr3li6ta2o11陶瓷片，並在相同條件下測試其電導率，結果發現只有sr3li6ta2o11具有最高的電導率3.16×10-5s/cm，而ba3li6nb2o11和sr3na6nb2o11因熱穩定性差而產生電子電導，無法作為快離子導體。