Solid electrolyte β/β”-alumina for sodium-niquel battery prototype

Itaipu Binational along with the Swiss company power generation Kraftwerke Oberhasli AG/KWO, are developing a battery of nickel-sodium salt (Na/NiCl2), which uses β/β"-Al2O3 ceramic as solid electrolyte, to apply on electric vehicles and stationary banks. The main challenges in obtaining β/β"-alumina are obtain more content β"-Al2O3 phase, the difficulty in controlling the sodium loss during the sintering and minimize abnormal grain growth which leads to a duplex microstructure which compromises the mechanical strength. This paper aims to: i) develop ceramic solid electrolyte β/β "-alumina using powders prepared by citrate process (CP) and mixed oxides process (MOP) and correlate the microstructure with electrical conductivity and mechanical properties, ii) obtain solid electrolyte tubular using the powder which generated the best samples. The samples obtained with MOP powder were not sensitive to sintering atmosphere. The amount of β” phase was ≈75%, microstructure obtained was duplex form containing larger grains (≈150 μm) dispersed in a matrix of smaller grains (≤5 μm). The higher mechanical resistance value to radial compression was 92 ± 14 MPa and the maximum the electrical conductivity value was 1.03x10-1 S.cm-1 at 300 oC. Citrate process produced nano-powder, which was more sensitive to the samples stowage during sintering and generated a microstructure more thin and homogeneous with grain size about ≤5 μm. Amount of β” phase, electrical conductivity and mechanical strength were lower than those obtained by the MOP. The solid electrolytes tubular were obtained by isostatic pressing with powder prepared via MOP. The pipes have a good mechanical resistance to green body for handling and finishing with good densification after sintering, indicating the viability of manufacturing of tubes for batteries.A Itaipu Binacional juntamente com a empresa suíça de geração de energia Kraftwerke Oberhasli AG/KWO estão desenvolvendo uma bateria de sal sódio-níquel (Na/NiCl2), a qual utiliza a cerâmica β/β”-Al2O3 como eletrólito sólido, visando aplicação em veículos elétricos e bancos estacionários. Os principais desafios na obtenção da β/β”-alumina são obter uma quantidade majoritária da fase β”-Al2O3, a dificuldade em controlar a perda de sódio durante a sinterização e minimizar o crescimento anormal de grão que leva à uma microestrutura duplex, que compromete a resistência mecânica. O presente trabalho tem por objetivos: i) obter o eletrólito sólido β/β”-alumina utilizando pós preparados pelo processo de mistura de óxidos (MO) e processo citrato (PC) e correlacionar a microestrutura com a condutividade elétrica e resistência mecânica, ii) obter eletrólito sólido tubular utilizando o pó que gerou as melhores amostras. Os corpos de prova obtidos com pó de MO não se mostraram sensíveis a atmosfera de sinterização. O teor de fase β” foi de ≈ 75% e a microestrutura obtida foi do tipo duplex com grãos de ~150 μm dispersos em uma matriz de grãos inferiores a 5 μm. O maior valor da resistência mecânica a compressão diametral foi 92±14 MPa, e o máximo valor da condutividade elétrica foi de 1,03x10-1 S.cm-1 a 300oC. Já o processo citrato processo gerou nanopó, foi mais sensível ao acondicionamento da amostra durante a sinterização e gerou microestrutura mais fina e homogênea com grãos ≤5 μm. Os valores da condutividade elétrica, teor de fase β” e resistência mecânica das amostras obtidas com estes pós foram inferiores àquelas obtidas pelo processo de MO. Os eletrólitos sólidos tubulares foram obtidos por prensagem isostática utilizando pó de MO, apresentam boa resistência mecânica a verde para manuseio e acabamento, boa densificação após sinterização, sinalizando a viabilidade da fabricação dos tubos para baterias