中國粉體網(wǎng)訊 隨著高新科技的不斷發(fā)展,，先進陶瓷粉體及制品在某些高技術領域已成為關鍵材料和瓶頸材料,。例如在鋰電行業(yè),，一些陶瓷材料恰恰在其生產(chǎn)鏈中充當了重要角色，這些材料有的是直接成為電極,、隔膜材料,，有的成為了封裝材料，還有一些則成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的輔助材料,，這些陶瓷材料市場也因為鋰電而風生水起,。今天，我們就來了解一下生產(chǎn)一塊鋰電池需要用到哪些陶瓷材料,。
陶瓷隔膜
鋰離子電池主要由正極材料,、負極材料、隔膜,、電解液以及封裝材料等五部分組成,。隔膜是鋰離子電池材料中技術壁壘最高的部分，其成本占比僅次于正極材料,，約為10%~14%,，在一些高端電池中隔膜成本占比甚至達到20%。
傳統(tǒng)隔膜的劣勢
商品化的鋰離子電池隔膜主要是聚乙烯,、聚丙烯微孔膜,。聚烯烴隔膜也有缺陷，一方面,，當外界溫度達到或超過隔膜熔點時,，隔膜自身會發(fā)生大面積收縮或熔融從而導致電池內(nèi)部熱失控現(xiàn)象或短路的產(chǎn)生，因此保持隔膜的尺寸和形貌不變是提高電池安全性的關鍵,。為此美國Celgard公司制備了（PP／PE／PP）多層隔膜,，雖其高溫下熱收縮性有所提高，但其機械強度低,、針刺強度低且透氣性差,；另一方面，由于聚烯烴隔膜極性與有機電解液極性不一致,，導致電解液對隔膜的潤濕性不好,，電池在反復充放電過程中隔膜對非水電解液的保持能力較差，從而影響電池的循環(huán)性能,。
陶瓷隔膜的先進性及代表性材料
目前陶瓷隔膜按制備方法可分為兩類,，一類是傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜或者無紡布膜為基底膜，運用黏結,、熱壓或者嫁接的方法在基底膜上面覆蓋上一層陶瓷層,，從而形成陶瓷復合膜；另一類是將納微級別的陶瓷顆�,；烊胗袡C材料中,，制成混合漿料,，然后將漿料拉伸成膜或制成無紡布膜。
圖片來源：恩捷新材料
隨著平板電腦和電動汽車的普及,，傳統(tǒng)聚烯烴隔膜,，在耐高壓、高溫等性能上,，無法滿足高電壓、高能量密度要求,。采用隔膜涂層技術,，利用陶瓷熱傳導率低，防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控,；無機材料結構特性,，可改善隔膜的熱收縮性能，具有更高的安全性以及耐高電位的特點,。此外,，陶瓷涂層具有親水性，對液體電解質(zhì)具有更好的吸液功能,，可同時改善鋰電池在充,、放電過程中電池內(nèi)部電流的分布均勻性。
目前,，最受關注的陶瓷隔膜材料有高純氧化鋁,、勃姆石等。
1,、高純氧化鋁
氧化鋁是一種高硬度的化合物,，熔點為2054℃，沸點為2980℃,，在高溫下可電離的離子晶體,。氧化鋁作為一種無機物，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）循環(huán)壽命長。降低了循環(huán)過程中的機械微短路,，有效提升循環(huán)壽命,；
（2）高倍率性。高純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,；
（3）高純納米氧化鋁還具有非常優(yōu)良的導熱性能。電池溫度過高時,，這種材料可以很好地進行熱量傳導,，從而解決了PP/PE材料導熱性差的問題,；
（4）良好浸潤性。高純納米氧化鋁粉末具有良好的吸液及保液能力,；
（5）高純納米氧化鋁材料還具有優(yōu)良的阻燃性,。這是因為氧化鋁材料本身就是非常優(yōu)良的阻燃劑，即使因為溫度過高,，達到燃燒零界點,，該材料的良好的阻燃性能會阻止大范圍的燃燒甚至爆炸；
（6）電流過大時,，能夠阻斷電流,。隨著鋰離子電池容量的不斷提高，內(nèi)部蓄積的能量越來越大,，內(nèi)部溫度會提高,，有可能出現(xiàn)溫度過高使負極隔膜被融化而造成短路。
圖片來源：國瓷材料
2,、勃姆石
純勃姆石為白色,，正雙軸晶體，屬于正交晶系中的雙錐點群,。莫氏硬度3-3.5,，比重為3-3.07。勃姆石（AlOOH）是γ-Al2O3的前驅(qū)體,，以其獨特的化學,、光學、力學性質(zhì)在陶瓷材料,、復合材料,、表面防護層材料、光學材料,、催化劑及載體材料,、半導體材料及涂料等領域得到普遍的應用。
勃姆石鋰電池隔膜涂覆上的應用,，來源：中鋁鄭州研究院
勃姆石除了能夠滿足鋰電池對隔膜的要求外,，通過與氧化鋁的對比還有以下優(yōu)勢：
（1）勃姆石的硬度低，在切割和涂覆過程中,，對機械的磨損小,，在成本上相對于高純氧化鋁來說更低。
（2）勃姆石耐熱溫度高,，與有機物相容性好,。
（3）勃姆石比重小，同樣重量比高純氧化鋁多涂覆25%的面積。
（4）涂覆平整度高,、內(nèi)阻小,。
（5）低能耗、生產(chǎn)過程對環(huán)境更加友好,。
（6）勃姆石的吸水率僅是高純氧化鋁的一半,。
（7）勃姆石的制備更為簡單，不像高純氧化鋁那樣要經(jīng)歷煅燒,、粉碎,、分級等一系列復雜過程。
（8）勃姆石材料的更換對隔膜企業(yè)和電池企業(yè)沒有設備及工藝更換的門檻,，且對隔膜企業(yè)設備的損傷較小,，隔膜企業(yè)也傾向于配合電池企業(yè)加快勃姆石材料驗證及產(chǎn)品驗證。
正極添加劑——氧化鋯
納米級復合氧化鋯產(chǎn)品在新能源領域的應用也不斷擴展,，越來越多的鋰電池設計方案開始使用氧化鋯粉體作為正極添加材料，用以穩(wěn)定電池性能,、增加循環(huán)壽命,。我們以鎳鈷錳酸鋰（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）正極材料為例，來看一看納米氧化鋯對正極材料性能的影響,。
1,、對結構的影響
通過對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2摻雜ZrO2發(fā)現(xiàn)（下圖是在不同摻雜ZrO2量下合成的目標正極材料的XRD圖譜），在不同摻雜量下各個材料的XRD特征峰大致相同,，經(jīng)過Jade分析后屬于六方晶系的α-NaFeO2型的層狀結構,，沒有其它的雜峰，說明ZrO2摻雜后的材料沒有影響到原始材料的整體結構,。
不同ZrO2摻雜量下Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1-xZrxO2正極材料的XRD圖譜
2,、對形貌的影響
隨著Zr摻雜量的增加，材料的一次顆粒由最初200～400nm大小的規(guī)則塊狀顆粒逐漸變?yōu)榇笮?00～200nm,、聚集致密的顆粒,，由一次顆粒團聚而成的大顆粒僅有1～2μm，且摻雜后的材料一次顆粒都開始從球體上脫落,，顆粒的球形度都不如未摻雜的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料,。
顆粒尺寸越小，Li+的擴散路徑越短,，越有利于Li+在層狀結構中的脫嵌,，但是在一定程度上摻雜后的材料也破壞了類球形的形貌。
3,、對電化學性能的影響
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),，ZrO2摻雜后的材料放電比容量都明顯高于原始的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料，這可能與上面提到的ZrO2摻雜后材料的粒徑變小相關，顆粒尺寸變小后在充放電過程中材料的脫嵌更加容易,，所以摻雜后材料的放電比容量上升,。
隨著充放電的進行，一定量的摻雜離子Zr4+還可能遷移到電極表面并形成固溶體,，防止了由于充放電期間各向異性結構變化引起的結構坍塌,，同時固溶體還充當保護涂層防止了鈷溶解到電解質(zhì)中，因此,，材料結構在循環(huán)過程的相變期間變得非常穩(wěn)定,，循環(huán)穩(wěn)定性增強。
正極材料燒結—陶瓷窯具
近年來,，隨著新能源汽車日益普及,，電池正極材料需求快速增長，下游市場的蓬勃發(fā)展帶動了國內(nèi)窯具廠家積極升級生產(chǎn)設備,，碳化硅陶瓷,、堇青石陶瓷等窯具需求極速增長。
推板
在推板方面,，目前,，國內(nèi)外常用的推板為碳化硅質(zhì)和剛玉莫來石質(zhì)，碳化硅質(zhì)推板以氧化硅結合碳化硅的為主,，因碳化硅在1300℃以上氧化較為顯著,，其應用范圍受到限制，僅適用一些低端制造領域或是窯爐溫度較低的領域,，當前較大的應用領域有鋰電正極材料推板窯,，無機粉體煅燒推板窯，應用溫度均不高,。
匣缽
在匣缽方面,，如下表所示，不同材質(zhì)匣缽在鋰離子正極材料領域應用的情況不同,。
堇青石-莫來石質(zhì)匣缽主要原料為黏土,、堇青石、莫來石,，在一些應用領域為了提高其抗侵蝕性會適當引入剛玉,、尖晶石等原料，制品燒成后物相種類,、數(shù)量以及組織結構決定了其性能,。堇青石-莫來石匣缽因其具有優(yōu)異的抗熱震性以及經(jīng)濟性，廣泛應用于鋰電池正極材料領域,�,；谔妓徜�/氫氧化鋰堿性強,，熔點低，對酸性耐火材料均有較強的腐蝕性,，鋁硅質(zhì)匣缽的壽命普遍較低,。石墨與碳化硅質(zhì)匣缽具有高導熱，耐高溫,，抗熱震性能優(yōu)異等特點,，抗氧化能力差，但在還原氣氛下抗堿侵蝕性能較出色,。
匣缽（上-碳化硅質(zhì),，下左-鋁鎂硅質(zhì)；下右-石墨質(zhì)）
輥棒
輥棒方面,，輥道爐具有質(zhì)量輕,，熱量損失少，蓄熱效果好,，使用壽命長和燒成周期短等特點,，被廣泛應用于玻璃制品、陶瓷制品,、冶金工業(yè),、瓷磚制品和鋰電池正極材料等產(chǎn)業(yè)。在鋰電方面,，輥道爐的作用主要是提供一個具有氧化性氣氛和熱量的封閉空間，以便實現(xiàn)鋰離子電池正極原材料的燒結,。
陶瓷輥棒是輥道窯的關鍵部件,，消耗量較大，它在產(chǎn)品連續(xù)性高溫燒成中起承載傳輸?shù)淖饔�,，其使用時既要耐高溫,，在長期轉(zhuǎn)動過程中又要具備抗高溫蠕變的特性。陶瓷輥棒主要材質(zhì)有：剛玉質(zhì),、鋁硅質(zhì),、熔融石英質(zhì)和碳化硅質(zhì)。其中碳化硅輥棒的材質(zhì)又有重結晶質(zhì)和反應燒結碳化硅質(zhì),，使用溫度可超1300℃,，常被用為中、高溫輥道窯燒成帶用輥棒的首選材質(zhì),。
其它陶瓷材料
除此之外,，還有一些陶瓷粉體或制品被用于鋰電池的制備或組裝中。在正極方面,，據(jù)國瓷材料2022年半年報顯示,，該公司高純超細氧化鋁還可以作為電池正極的添加材料，起到包覆和摻雜作用。
國瓷材料三元正極氧化鋁添加材料性能指標
在負極方面,，據(jù)了解,，碳化硅微粉可以與石墨、碳納米管,、納米氮化鈦等復合制成鋰電池的負極材料,，可以提高鋰電池的容量及使用壽命。
在鋰電池密封環(huán)節(jié),，一枚硬幣大小的電子陶瓷環(huán)（學名“新型動力電池陶瓷密封連接器”）就是新能源電動汽車中的重要零部件,，用于動力電池蓋板和極柱之間形成密封導電連接。
動力電池陶瓷環(huán),，來源：美程陶瓷
總之,，隨著先進技術及材料的不斷開發(fā)，未來或許會有更多的陶瓷材料應用到鋰電池乃至整個新能源領域,。
參考來源：
[1]錢凡等.窯具應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
[2]楊鈴等.鋰離子電池隔膜的國內(nèi)外研究技術進展
[3]儲健等.國內(nèi)外鋰離子電池隔膜的研究進展
[4]蘇丹等.鋰離子電池陶瓷隔膜研究進展
[5]鄒朝鑫.鋰離子電池正極材料的輥道爐燒結溫度場仿真及控制研究
[6]黃思達.鋰離子電池用氧化鋁陶瓷隔膜的制備及其性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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