本發(fā)明屬于無機材料技術領域，具體涉及一種鈦酸鹽固體電解質及其制備方法。
背景技術：
隨著人類社會的發(fā)展以及工業(yè)化程度的進一步提高，開發(fā)高效、清潔、安全及經濟的新型綠色能源成為了未來能源發(fā)展的必然趨勢。由于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(fā)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(fā)生反應轉變?yōu)殡娔?。用氧化鋯和其它快離子導體制成的氣體探測器，不僅可以控制汽車發(fā)動機和鍋爐燃燒室的燃燒過程以節(jié)約燃料和減少污染，而且還可以監(jiān)測一些有害氣體從而對環(huán)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。用快離子導體制作的固體電池具有自放電小、貯存壽命長和抗振動等優(yōu)點，已在心臟起搏器電子手表、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，它們大多為基于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于氧空位。另外，在已報道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(fā)，而且工藝復雜，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(wěn)定性及化學穩(wěn)定性、大規(guī)模生產的可操作性等特點。目前所報道的鉀基鈦酸鹽普遍是利用濕化學法制備，雖然制備溫度較低，但是反應時間過長，而且過程復雜，不利于工業(yè)化生產。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于固體電解質的鈦酸鹽及其制備方法。
本發(fā)明涉及的用于固體電解質的鈦酸鹽的化學表示式為:kla2ti3o9.5。
所述鈦酸鹽的制備方法具體步驟為：
(1)將k2co3、la2o3和tio2的原始粉末按kla2ti3o9.5的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨4小時，混合均勻磨細，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于馬弗爐中，750℃煅燒，保溫1小時，然后從750℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓25mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中800-850℃燒結，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到鈦酸鹽kla2ti3o9.5。
本發(fā)明的優(yōu)點：通過本制備方法得到的鈦酸鹽kla2ti3o9.5具有較高的離子導電性、使用溫度下具有較高的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)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(yōu)良的快離子導體材料。另外制備方法簡單、合成溫度低，綠色環(huán)保成本低，相對于其他固體電解質材料的濕化學法制備工藝，本方法更適合工業(yè)生產與應用。
具體實施方式
下面結合實施例對本發(fā)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(fā)明保護范圍的限制，任何在本發(fā)明基礎上的改進和變化都在本發(fā)明的保護范圍之內。
實施例1：
(1)將k2co3、la2o3和tio2的原始粉末按kla2ti3o9.5的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨4小時，混合均勻磨細，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于馬弗爐中，750℃煅燒，保溫1小時，然后從750℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓25mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中800℃燒結，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到鈦酸鹽kla2ti3o9.5。
本實施例所得到的鈦酸鹽kla2ti3o9.5，在兩底面涂上金膠，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1.76×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到0.92×10-2s/cm。
實施例2：
(1)將k2co3、la2o3和tio2的原始粉末按kla2ti3o9.5的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨4小時，混合均勻磨細，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于馬弗爐中，750℃煅燒，保溫1小時，然后從750℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓25mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中830℃燒結，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到鈦酸鹽kla2ti3o9.5。
本實施例所得到的鈦酸鹽kla2ti3o9.5，在兩底面涂上金膠，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2.68×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到1.54×10-2s/cm。
實施例3：
(1)將k2co3、la2o3和tio2的原始粉末按kla2ti3o9.5的組成稱量配料并放入球磨罐中，加入直徑為7mm的氧化鋯球和去離子水，球磨4小時，混合均勻磨細，取出烘干得到粉末原料；
(2)將步驟(1)烘干后的粉末原料壓成柱狀樣品，置于陶瓷承燒板上，用坩堝罩住樣品，然后置于馬弗爐中，750℃煅燒，保溫1小時，然后從750℃的管式爐中用鉗子夾住承燒板并快速取出，使陶瓷承燒板上，坩堝內的樣品快速冷卻，冷卻至室溫后搗碎研磨成粉末；
(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里球磨15個小時，混合均勻磨細，得到粉末原料；
(4)將步驟(3)球磨后的粉末原料冷等靜壓25mpa成型為直徑1.3cm，厚度0.3cm的圓片，然后在馬弗爐中850℃燒結，保溫4小時后，自然冷卻至室溫，得到鈦酸鹽kla2ti3o9.5。
本實施例所得到的鈦酸鹽kla2ti3o9.5，在兩底面涂上金膠，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1.94×10-3s/cm，在500℃時電導率快速升到1.22×10-2s/cm。
由于鉀離子、鈉離子和鋰離子在快離子導體中經常作為遷移離子，因此在本申請的實驗條件下，制備lila2ti3o9.5以及nala2ti3o9.5陶瓷片，并在相同條件下測試其電導率，結果發(fā)現只有l(wèi)ila2ti3o9.5具有最高的電導率1.06×10-5s/cm，而nala2ti3o9.5因結構不穩(wěn)定而得不到離子電導率。