中國粉體網(wǎng)訊 隨著人類社會的不斷發(fā)展，化石能源消耗的日益增加，能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。因此，改變不合理的能源結(jié)構(gòu)，開發(fā)清潔能源得到越來越廣泛的關(guān)注與研究。近年來，隨著風(fēng)能、太陽能等可再生能源的不斷發(fā)展，作為影響其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，儲能系統(tǒng)也越來越受到人們的關(guān)注。
其中，二次電池以其效率高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)成為最具潛力的儲能方式。已經(jīng)商業(yè)化的二次電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池等，鋰離子電池因其能量密度高、自放電小、安全無污染等優(yōu)勢已經(jīng)在新能源汽車、筆記本電腦、通訊和消費(fèi)性電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。
近年來，隨著對鋰離子電池各項(xiàng)性要求越來越高，人們不斷嘗試采用各種材料來提高其綜合性能。其中，氧化鋁材料（一般為高純氧化鋁）由于其耐高溫、耐腐蝕和絕緣的特性，被廣泛應(yīng)用于鋰電正負(fù)極、隔膜、電解液、固態(tài)電解質(zhì)中，并起到很好的效果。
01.在正極材料中的應(yīng)用
鋰離子電池正極材料研究中，提高材料性能的一個(gè)重要途徑就是對電極材料的表面進(jìn)行包覆處理。目的是減少電解液的酸性物質(zhì)與電極材料的接觸，降低電極被氫氟酸腐蝕，減少酸堿副反應(yīng)，對于提高正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大有幫助。目前Al2O3是研究較多的氧化物包覆材料之一，因其儲量豐富、價(jià)格便宜，并且能明顯提升正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電化學(xué)性能和安全性而被廣泛使用。
圖片來源：重慶任丙科技
Al2O3包覆的作用如下：
在鋰離子電池正極材料中，Al2O3表面涂覆可以有效地提高正極材料的容量保持率、長循環(huán)性以及熱穩(wěn)定性。Al2O3表面涂層對正極材料性能的積極影響可能包括：作為一種氟化氫清除劑，清除電解質(zhì)溶液中的HF，抑制正極材料中過渡金屬的溶解；在正極材料表面形成一層物理保護(hù)屏障，抑制正極材料和非水電解質(zhì)之間發(fā)生不必要的副反應(yīng)；在正極材料表面形成鋰化氧化鋁，提高鋰離子擴(kuò)散速率，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻；減少放熱反應(yīng)，提升正極材料的熱穩(wěn)定性能；Al2O3與LiPF6反應(yīng)生成電解質(zhì)添加劑LiPO2F2，提升電池的循環(huán)性能和壽命；抑制Jahn-Teller效應(yīng)，提升電極的循環(huán)穩(wěn)定性。
02.在隔膜中的應(yīng)用
鋰離子電池在大電流長時(shí)間連續(xù)工作時(shí)會散發(fā)大量的熱量，這要求隔膜熔點(diǎn)高，在較高溫度時(shí)收縮率較低，以防止由于高溫收縮或熔化而引起的正負(fù)極間的短路。聚丙烯PP、聚乙烯PE及其衍生物類是鋰離子電池隔膜的常規(guī)材質(zhì)，在高溫條件下存在使用風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行性能改進(jìn)。
圖片來源：宣城晶瑞
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將隔膜表面單面或者雙面進(jìn)行涂覆可以顯著提高高溫穩(wěn)定性，緩解隔膜熱收縮造成的電池正負(fù)極接觸、燃燒、爆炸的安全問題，且隔膜的穩(wěn)定性和壽命都有顯著改善。
高純氧化鋁作為一種無機(jī)涂覆材料，具有很高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)惰性，是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。其優(yōu)點(diǎn)有：
1）氧化鋁涂層具有耐高溫性，在180℃可以保持隔膜完整形態(tài)；
2）氧化鋁涂層可以中和電解液中游離的HF，提升電池的耐酸性和安全性能；
3）納米氧化鋁在鋰電池中可形成固溶體，提高倍率性和循環(huán)性能；
4）納米氧化鋁粉末具有良好的潤濕性，有一定的吸液及保液能力；
5）氧化鋁涂層可以增加微孔曲折度，自放電低于普通隔膜。
03.在負(fù)極電極中的應(yīng)用
氧化鋁不僅可以涂覆在隔膜上，還可以在負(fù)極表面涂覆。侯敏等、張沿江等研究發(fā)現(xiàn)涂覆氧化鋁涂層提高了負(fù)極界面的穩(wěn)定性，減少了活性鋰的損失，提高鋰離子電池的荷電保持能力和循環(huán)性能。在針刺測試過程中，負(fù)極表面涂層能夠降低正負(fù)極短路的嚴(yán)重程度。陶瓷涂層電池在針刺時(shí)的峰值溫度為123.1℃，電池略微鼓脹，沒有發(fā)生爆炸；而非陶瓷涂層電池在針刺時(shí)的峰值溫度為410℃，并伴隨冒煙和爆炸。陶瓷涂層對提升鋰離子電池的熱安全性有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
氧化鋁涂覆的石墨負(fù)極（來源：劉國剛等，《鋰電池高純氧化鋁的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展》）
04.在電解液中的應(yīng)用
鋰離子電池的性能很大程度上受電解液性質(zhì)的影響，不同體系電解液應(yīng)用于不同功能的鋰離子電池中。在電解液中添加一定量的非儲能物質(zhì)，可以提高電解液的導(dǎo)電性能、電池的充放電性能、放電效率、使用壽命以及安全性能。有研究發(fā)現(xiàn)，在電解液中添加一定量的氧化鋁粉體可以有效提高電解液的電導(dǎo)率，減小電荷傳遞電阻，提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。
05.在固態(tài)電解質(zhì)中的應(yīng)用
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的急速發(fā)展，消費(fèi)終端對動力電池的綜合性能要求越來越高。眾所周知，傳統(tǒng)的鋰離子電池的質(zhì)量能量密度提升已經(jīng)遇到了瓶頸，而且鋰離子電池在高溫和濫用條件下的安全問題突出。為了滿足高能量密度和安全需求，發(fā)展固態(tài)電池技術(shù)是一條必經(jīng)之路。與液態(tài)電解質(zhì)不同，固態(tài)電解質(zhì)材料硬度高，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，對鋰枝晶的生長有重要的抑制作用，鋰金屬在固態(tài)電池中可作為電極，因此可以大幅提升電池的能量密度。
圖片來源：恒博新材料
在固體電解質(zhì)的研究中，石榴石型Li7La3Zr2O12(LLZO)固體電解質(zhì)是一個(gè)非常重要的研究方向，其優(yōu)勢在于電解質(zhì)離子電導(dǎo)率較高(5×10-3S/cm)、電解質(zhì)膜機(jī)械強(qiáng)度較高和化學(xué)穩(wěn)定性較好。組裝含有5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3固體電解質(zhì)的全電池，循環(huán)200次后的容量保持率由未含Al2O3的82.3%提升到91.4%。聚合物電解質(zhì)中的高比表面Al2O3納米顆�？梢晕諝埩綦s質(zhì)和電解質(zhì)的分解產(chǎn)物，從而提高電極界面穩(wěn)定性和鋰離子遷移可逆性。有研究中發(fā)現(xiàn)在LLZO燒結(jié)過程中，添加Al2O3作為燒結(jié)助劑，與Li2O在晶界處形成Li2O-Al2O3化合物，能夠有效填充晶界間的空隙，提高LLZO材料的體積密度，減少高溫下的鋰損失。
小結(jié)
目前，鋰離子電池已成為我國的重要產(chǎn)業(yè)，尤其隨著新能源汽車的蓬勃發(fā)展而一路高歌。
根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2023年，我國新能源汽車總體產(chǎn)銷量分別為958.7萬輛和949.5萬輛，比上年同期分別增長35.8%和37.9%，滲透率達(dá)到31.6%。2024年1-6月，我國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成492.9萬輛和494.4萬輛，同比分別增長30.1%和32%。
受益于新能源汽車的快速發(fā)展，動力電池裝車量持續(xù)提升。根據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年、2022年、2023年分別達(dá)到219.69吉瓦時(shí)、545.88吉瓦時(shí)、778.1吉瓦時(shí)，分別較上年增長了163.44%、148.48%、42.54%；2024年1-6月，我國動力電池累計(jì)裝車量203.3GWh，累計(jì)同比增長33.7%，需求仍保持增長。
高純氧化鋁，這一熔點(diǎn)高、硬度高、催化性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好、耐腐蝕性好、光電性能優(yōu)異的無機(jī)材料，在高速發(fā)展的鋰電領(lǐng)域正大放光彩。
參考來源：
[1]劉國剛等.鋰電池高純氧化鋁的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展
[2]徐前進(jìn)等.氧化鋁包覆鋰離子電池正極材料的研究進(jìn)展
[3]劉林等.電解液添加納米氧化鋁對鋰離子電池性能影響
[4]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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