中國粉體網訊 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、環(huán)境污染等問題日益嚴重。因此，改變不合理的能源結構，開發(fā)清潔能源得到越來越廣泛的關注與研究。近年來，隨著風能、太陽能等可再生能源的不斷發(fā)展，作為影響其發(fā)展的關鍵技術，儲能系統(tǒng)也越來越受到人們的關注。
其中，二次電池以其效率高、使用方便等優(yōu)點成為最具潛力的儲能方式。已經商業(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)勢已經在新能源汽車、筆記本電腦、通訊和消費性電子產品領域得到大規(guī)模應用。
近年來，隨著對鋰離子電池各項性要求越來越高，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，被廣泛應用于鋰電正負極、隔膜、電解液、固態(tài)電解質中，并起到很好的效果。
01.在正極材料中的應用
鋰離子電池正極材料研究中，提高材料性能的一個重要途徑就是對電極材料的表面進行包覆處理。目的是減少電解液的酸性物質與電極材料的接觸，降低電極被氫氟酸腐蝕，減少酸堿副反應，對于提高正極材料結構穩(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、價格便宜，并且能明顯提升正極材料的結構穩(wěn)定性、電化學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屏障，抑制正極材料和非水電解質之間發(fā)生不必要的副反應；在正極材料表面形成鋰化氧化鋁，提高鋰離子擴散速率，降低電荷轉移電阻；減少放熱反應，提升正極材料的熱穩(wěn)定性能；Al2O3與LiPF6反應生成電解質添加劑LiPO2F2，提升電池的循環(huán)性能和壽命；抑制Jahn-Teller效應，提升電極的循環(huán)穩(wěn)定性。
02.在隔膜中的應用
鋰離子電池在大電流長時間連續(xù)工作時會散發(fā)大量的熱量，這要求隔膜熔點高，在較高溫度時收縮率較低，以防止由于高溫收縮或熔化而引起的正負極間的短路。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，在高溫條件下存在使用風險，需要進行性能改進。
圖片來源：宣城晶瑞
經研究發(fā)現(xiàn)，將隔膜表面單面或者雙面進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涂覆材料，具有很高的熱穩(wěn)定性及化學惰性，是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。其優(yōu)點有：
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.在負極電極中的應用
氧化鋁不僅可以涂覆在隔膜上，還可以在負極表面涂覆。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，負極表面涂層能夠降低正負極短路的嚴重程度。陶瓷涂層電池在針刺時的峰值溫度為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)實意義。
氧化鋁涂覆的石墨負極（來源：劉國剛等，《鋰電池高純氧化鋁的制備及應用研究進展》）
04.在電解液中的應用
鋰離子電池的性能很大程度上受電解液性質的影響，不同體系電解液應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，可以提高電解液的導電性能、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率，減小電荷傳遞電阻，提高鋰離子電池的電化學性能。
05.在固態(tài)電解質中的應用
隨著新能源汽車產業(yè)的急速發(fā)展，消費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)的鋰離子電池的質量能量密度提升已經遇到了瓶頸，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)電池技術是一條必經之路。與液態(tài)電解質不同，固態(tài)電解質材料硬度高，具有一定的機械強度，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
在固體電解質的研究中，石榴石型Li7La3Zr2O12(LLZO)固體電解質是一個非常重要的研究方向，其優(yōu)勢在于電解質離子電導率較高(5×10-3S/cm)、電解質膜機械強度較高和化學穩(wěn)定性較好。組裝含有5%質量分數(shù)Al2O3固體電解質的全電池，循環(huán)200次后的容量保持率由未含Al2O3的82.3%提升到91.4%。聚合物電解質中的高比表面Al2O3納米顆粒可以吸收殘留雜質和電解質的分解產物，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燒結過程中，添加Al2O3作為燒結助劑，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
目前，鋰離子電池已成為我國的重要產業(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)計數(shù)據(jù)，2023年，我國新能源汽車總體產銷量分別為958.7萬輛和949.5萬輛，比上年同期分別增長35.8%和37.9%，滲透率達到31.6%。2024年1-6月，我國新能源汽車產銷分別完成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業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2021年、2022年、2023年分別達到219.69吉瓦時、545.88吉瓦時、778.1吉瓦時，分別較上年增長了163.44%、148.48%、42.54%；2024年1-6月，我國動力電池累計裝車量203.3GWh，累計同比增長33.7%，需求仍保持增長。
高純氧化鋁，這一熔點高、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)異的無機材料，在高速發(fā)展的鋰電領域正大放光彩。
參考來源：
[1]劉國剛等.鋰電池高純氧化鋁的制備及應用研究進展
[2]徐前進等.氧化鋁包覆鋰離子電池正極材料的研究進展
[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
（中國粉體網編輯整理/山川）
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