中国粉体网讯 随着人类社会的不断发展，化石能源消耗的日益增加，能源危机、环境污染等问题日益严重。因此，改变不合理的能源结构，开发清洁能源得到越来越广泛的关注与研究。近年来，随着风能、太阳能等可再生能源的不断发展，作为影响其发展的关键技术，储能系统也越来越受到人们的关注。
其中，二次电池以其效率高、使用方便等优点成为最具潜力的储能方式。已经商业化的二次电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池等，锂离子电池因其能量密度高、自放电小、安全无污染等优势已经在新能源汽车、笔记本电脑、通讯和消费性电子产品领域得到大规模应用。
近年来，随着对锂离子电池各项性要求越来越高，人们不断尝试采用各种材料来提高其综合性能。其中，氧化铝材料（一般为高纯氧化铝）由于其耐高温、耐腐蚀和绝缘的特性，被广泛应用于锂电正负极、隔膜、电解液、固态电解质中，并起到很好的效果。
01.在正极材料中的应用
锂离子电池正极材料研究中，提高材料性能的一个重要途径就是对电极材料的表面进行包覆处理。目的是减少电解液的酸性物质与电极材料的接触，降低电极被氢氟酸腐蚀，减少酸碱副反应，对于提高正极材料结构稳定性大有帮助。目前Al2O3是研究较多的氧化物包覆材料之一，因其储量丰富、价格便宜，并且能明显提升正极材料的结构稳定性、电化学性能和安全性而被广泛使用。
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Al2O3包覆的作用如下：
在锂离子电池正极材料中，Al2O3表面涂覆可以有效地提高正极材料的容量保持率、长循环性以及热稳定性。Al2O3表面涂层对正极材料性能的积极影响可能包括：作为一种氟化氢清除剂，清除电解质溶液中的HF，抑制正极材料中过渡金属的溶解；在正极材料表面形成一层物理保护屏障，抑制正极材料和非水电解质之间发生不必要的副反应；在正极材料表面形成锂化氧化铝，提高锂离子扩散速率，降低电荷转移电阻；减少放热反应，提升正极材料的热稳定性能；Al2O3与LiPF6反应生成电解质添加剂LiPO2F2，提升电池的循环性能和寿命；抑制Jahn-Teller效应，提升电极的循环稳定性。
02.在隔膜中的应用
锂离子电池在大电流长时间连续工作时会散发大量的热量，这要求隔膜熔点高，在较高温度时收缩率较低，以防止由于高温收缩或熔化而引起的正负极间的短路。聚丙烯PP、聚乙烯PE及其衍生物类是锂离子电池隔膜的常规材质，在高温条件下存在使用风险，需要进行性能改进。
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经研究发现，将隔膜表面单面或者双面进行涂覆可以显著提高高温稳定性，缓解隔膜热收缩造成的电池正负极接触、燃烧、爆炸的安全问题，且隔膜的稳定性和寿命都有显著改善。
高纯氧化铝作为一种无机涂覆材料，具有很高的热稳定性及化学惰性，是电池隔膜陶瓷涂层的很好选择。其优点有：
1）氧化铝涂层具有耐高温性，在180℃可以保持隔膜完整形态；
2）氧化铝涂层可以中和电解液中游离的HF，提升电池的耐酸性和安全性能；
3）纳米氧化铝在锂电池中可形成固溶体，提高倍率性和循环性能；
4）纳米氧化铝粉末具有良好的润湿性，有一定的吸液及保液能力；
5）氧化铝涂层可以增加微孔曲折度，自放电低于普通隔膜。
03.在负极电极中的应用
氧化铝不仅可以涂覆在隔膜上，还可以在负极表面涂覆。侯敏等、张沿江等研究发现涂覆氧化铝涂层提高了负极界面的稳定性，减少了活性锂的损失，提高锂离子电池的荷电保持能力和循环性能。在针刺测试过程中，负极表面涂层能够降低正负极短路的严重程度。陶瓷涂层电池在针刺时的峰值温度为123.1℃，电池略微鼓胀，没有发生爆炸；而非陶瓷涂层电池在针刺时的峰值温度为410℃，并伴随冒烟和爆炸。陶瓷涂层对提升锂离子电池的热安全性有重要的现实意义。
氧化铝涂覆的石墨负极（来源：刘国刚等，《锂电池高纯氧化铝的制备及应用研究进展》）
04.在电解液中的应用
锂离子电池的性能很大程度上受电解液性质的影响，不同体系电解液应用于不同功能的锂离子电池中。在电解液中添加一定量的非储能物质，可以提高电解液的导电性能、电池的充放电性能、放电效率、使用寿命以及安全性能。有研究发现，在电解液中添加一定量的氧化铝粉体可以有效提高电解液的电导率，减小电荷传递电阻，提高锂离子电池的电化学性能。
05.在固态电解质中的应用
随着新能源汽车产业的急速发展，消费终端对动力电池的综合性能要求越来越高。众所周知，传统的锂离子电池的质量能量密度提升已经遇到了瓶颈，而且锂离子电池在高温和滥用条件下的安全问题突出。为了满足高能量密度和安全需求，发展固态电池技术是一条必经之路。与液态电解质不同，固态电解质材料硬度高，具有一定的机械强度，对锂枝晶的生长有重要的抑制作用，锂金属在固态电池中可作为电极，因此可以大幅提升电池的能量密度。
图片来源：恒博新材料
在固体电解质的研究中，石榴石型Li7La3Zr2O12(LLZO)固体电解质是一个非常重要的研究方向，其优势在于电解质离子电导率较高(5×10-3S/cm)、电解质膜机械强度较高和化学稳定性较好。组装含有5%质量分数Al2O3固体电解质的全电池，循环200次后的容量保持率由未含Al2O3的82.3%提升到91.4%。聚合物电解质中的高比表面Al2O3纳米颗粒可以吸收残留杂质和电解质的分解产物，从而提高电极界面稳定性和锂离子迁移可逆性。有研究中发现在LLZO烧结过程中，添加Al2O3作为烧结助剂，与Li2O在晶界处形成Li2O-Al2O3化合物，能够有效填充晶界间的空隙，提高LLZO材料的体积密度，减少高温下的锂损失。
小结
目前，锂离子电池已成为我国的重要产业，尤其随着新能源汽车的蓬勃发展而一路高歌。
根据中国汽车工业协会的统计数据，2023年，我国新能源汽车总体产销量分别为958.7万辆和949.5万辆，比上年同期分别增长35.8%和37.9%，渗透率达到31.6%。2024年1-6月，我国新能源汽车产销分别完成492.9万辆和494.4万辆，同比分别增长30.1%和32%。
受益于新能源汽车的快速发展，动力电池装车量持续提升。根据中国汽车动力电池产业创新联盟的统计数据，2021年、2022年、2023年分别达到219.69吉瓦时、545.88吉瓦时、778.1吉瓦时，分别较上年增长了163.44%、148.48%、42.54%；2024年1-6月，我国动力电池累计装车量203.3GWh，累计同比增长33.7%，需求仍保持增长。
高纯氧化铝，这一熔点高、硬度高、催化性能优异、热稳定性好、耐腐蚀性好、光电性能优异的无机材料，在高速发展的锂电领域正大放光彩。
参考来源：
[1]刘国刚等.锂电池高纯氧化铝的制备及应用研究进展
[2]徐前进等.氧化铝包覆锂离子电池正极材料的研究进展
[3]刘林等.电解液添加纳米氧化铝对锂离子电池性能影响
[4]中国粉体网
