بررسی سنتز و رفتار چگالشβ‘‘-آلومینا به عنوان الکترولیت باتریهای سدیم سولفور
محورهای موضوعی : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوینهاجر احمدی مقدم 1 , محمد حسین پایدار 2
1 - دانشجوی دکتری بخش مهندسی مواد دانشگاه شیراز.
2 - استاد، هیئت علمی بخش مهندسی مواد دانشگاه شیراز.
کلید واژه: β‘‘- آلومینا, روش زتا, زینترینگ, سنتز, میکروساختار,
چکیده مقاله :
الکترولیت β‘‘-آلومینا به عنوان هادی یون سدیم در باتریهای سدیم سولفور استفاده میشود. برای دست یابی به هدایت یونی مناسب، بایستی به الکترولیتی با دانسیته بالا و میکروساختار یکنواخت در طی فرآیند ساخت دست یافت. به این منظور، در این پژوهش ضمن سنتز پودر β‘‘-آلومینا، تأثیرپارامترهای موثر بر رفتار چگالش سرامیکβ‘‘-آلومینا مورد بررسی قرار گرفته است. پودر β‘‘-آلومینا با روش زتا سنتز و نمونههای خام با روش پرس تک محوره شکل داده شد و در دماها و زمانهای گوناگون زینتر گردید. از پراش پرتو اشعه ایکس برای تعیین فازهای تشکیل شده و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای بررسی میکروساختار نمونهها به همراه اندازه گیری دانسیته برای بررسی رفتار چگالش استفاده شد. نتایج این پژوهش نشان داد که میکروساختار سرامیک β‘‘-آلومینابه شدت وابسته به شرایط زینترینگ میباشد.افزایش زمان زینترینگ، منجر به کاهش دانسیته و غیر یکنواختی در میکروساختار نمونهها گردید.شرایط بهینه برای زینترینگ الکترولیت β‘‘-آلومینادمای 1620درجه سانتی گراد به مدت 15 دقیقه برای دست یابی به دانسیته بیش از 99 درصد تئوری، با میکرو ساختار یکنواخت، بدون رشد دانه افراطی و عدم تشکیل میکرو ساختار دوگانه و درصد فاز β‘‘-Al2O3 بیش از99 درصد،تعیین شد.
β''-Alumina electrolyte as a sodium ion conductor is used in sodium sulfur batteries. To obtain the appropriate ionic conductivity, this electrolyte should gain high density and uniform microstructure during manufacturing process. For this purpose, in the present work, β''-alumina powder was synthesized and the parameters influencing the densification behavior of β''-alumina ceramic have been studied. β''- alumina powder synthesized by the zeta process and the raw samples were formed by uniaxial pressing and sintered at different temperatures and for different times. The phase identification of the synthesized powder and fabricated electrolyte was performed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy and measuring of density were used to investigate the densification behavior. The results showed that the microstructure of the β''-alumina ceramics strongly depends on the sintering conditions.Decreasing in the density and the duplex microstructure occurred with increasing the time of the sintering. The optimum condition for the sinte ring of the β''- alumina electrolyte was determined to be at 1620 ºC for 15 min, which results in a dense sample with more than 99% of theoretical density, uniform microstructure, without excessive grain growth and the lack of duplex microstructure including more than 99 percent β''-Al2O3 phase.
1- J. L. Sudworth and A. R. Tilley, The Sodium Sulphur Battery, p. 33, Chapman and Hall, London, 1985.
2- L. Xiaochuan, X. Guanguang, P .John and Y. Zhenguo, "Advanced Materials for Sodium-Beta Alumina Batteries: Status, Challenges and Perspectives", Power Sources, Vol. 195, pp. 2431-2442, 2010.
3- T. Oshima, M. Kajita and A. Okuno, "Development of Sodium-Sulfur Batteries", Applied Ceramic Technology, Vol. 1, pp. 269-276, 2004.
4- V. Jayaraman,T. Gnanasekaran and G. Periaswami, "Low-temperature synthesis of β-Aluminas by a Sol-Gel technique",Materials Letters, Vol. 30, pp. 157-162,1997.
5- A. Mali and A. Petr, "Synthesis of Sodium -Alumina powder by Sol–Gel Combustion", European Ceramic Society, Vol. 32, pp. 1229-1234, 2012.
6- S. Sartori,A. Martucci,A. Muffato and M. Guglielmi, "Sol-gel synthesis of Na- beta-Al2O3 Powders", European Ceramic Society, Vol. 24, pp. 911-914, 2004.
7- T. Mathews, "Solution Combustion Synthesis of Magnesium Compensated Sodium-β-aluminas", Materials Science and Engineering B, Vol. 78, pp. 39-43, 2000.
8- K. Lee,S. Lee,D. Lee and S. Lim, "Phase formation of Na-Beta-Alumina Synthesized by Double Zeta Process," Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 19, pp. 829-837, 2013.
9-ز. شرافت و م. پایدار،"بررسی تاثیر افزودنی اکسید مس بر روند زینترینگ ، ریز ساختار و هدایت پروتونی ترکیبات زیرکونات باریم،"مجله مواد نوین، سال1 شماره 4، ص 85-75، تابستان 1390.
11- A. I. Sitnikov, G. B. Telnova, L. I. Shvorneva, A. Yu. Fedotovand and K. A. Solntsev, Study of the Thermomechanical Properties of a Ceramic Based Sodium Polyaluminate with the Structure of Na- β″- Alumina", Refractories and Industrial Ceramics, Vol. 53, No. 5, January, 2013.
12- A.V. Virkar and S.R. Gordon, "Fracture Properties of Poly Crystalline Lithia – Stabilized βʺ-Alumina", American Ceramic Society, vol. 60, pp.58-61, 1977.
13- Y. Sheng and P. Nicholson, "Microstructural development of a ZrO2-Na-β″-Al2O3 composite", Materials Science, Vol. 23, pp. 982-986, 1988.
14- M. W. Barsoum, Fundamentals of Ceramics, pp. 334, CRC Press, 2002.