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陶瓷材料在鋰離子電池中的應(yīng)用

1、陶瓷在正極材料中的應(yīng)用

Al₂O₃材料為無機氧化物，也屬于惰性材料，氧化鋁通過包覆在正極材料表面可減少正極材料和鋰電池中的電解液直接接觸，進而提升鋰離子電池性能，采用氧化物作為包覆材料對正極材料進行包覆改性應(yīng)用得較為廣泛。

陳道明等以尿素為沉淀劑，采用均勻沉淀法在其表面包覆不同比例Al₂O₃包覆層，研究其對LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂電化學(xué)性能的影響。研究制備的樣品中，SEM、TEM圖結(jié)果表明Al₂O₃均勻的包覆在正極材料表面。相比而言，1%Al₂O₃包覆正極材料具有比較好的電化學(xué)性能，具有首次放電容量189.56mAh/g；首次庫倫效率87.95%；其在電池的循環(huán)性能、倍率性能測試中也表現(xiàn)最佳。通過循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗分析，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂電池表現(xiàn)的性能提高，主要原因是Al₂O₃包覆在正極材料表面抑制了電解液和正極材料在電池循環(huán)過程的副反應(yīng)，也減小了界面阻抗值。

2、陶瓷在負(fù)極材料中的應(yīng)用

負(fù)極極片表面涂覆Al₂O₃涂層同樣能夠改善鋰電池的安全性和電化學(xué)性能。很多人不了解Al₂O₃陶瓷涂覆鋰離子電池極片表面的工藝，鮮有人知陶瓷涂覆在極片上對鋰離子電池性能提升的效果。在負(fù)極極片上涂覆的Al₂O₃涂層可有效抑制析出金屬鋰和電解液的相互反應(yīng)，因此，Al₂O₃涂覆在負(fù)極極片表面上能夠顯著提高鋰電池的安全性，尤其是在開放環(huán)境下的針刺實驗不會發(fā)生熱失控的結(jié)果值得關(guān)注。

3、陶瓷在隔膜材料中的應(yīng)用

PE、PP具有價低易得、資源豐富、強度高、耐熔耐腐蝕等優(yōu)點，都是屬于聚烯烴材料，PE、PP隔膜作為商業(yè)隔膜，都在鋰離子電池中得到應(yīng)用。雖然在鋰電池中纖維素復(fù)合膜作為隔膜也有應(yīng)用，但在鋰離子電池中應(yīng)用仍以具有微孔結(jié)構(gòu)的PE、PP聚烯烴薄膜為主。當(dāng)出現(xiàn)鋰離子電池內(nèi)部快速升溫時，隔膜會發(fā)生收縮、軟化，從而引發(fā)鋰離子電池的內(nèi)部發(fā)生短路，易造成火災(zāi)、爆炸等。鋰離子電池安全性與隔膜的原材料和隔膜結(jié)構(gòu)有關(guān)，很多學(xué)者將陶瓷隔膜作為研究重點，改性鋰離子電池的隔膜，提高耐高溫性從而限制鋰電池內(nèi)部溫度升高和短路。在聚烯烴隔膜表層涂覆無機氧化物Al₂O₃涂層，制備的陶瓷隔膜具有熱穩(wěn)定性，隔膜熱收縮性得到改善，鋰離子電池的安全性能也得到提高。

4、陶瓷在電解液中的應(yīng)用

在電解液中添加Al₂O₃不但能提升循環(huán)、倍率性能，也能達到提升電池安全性的目的。Jeff Dahn對Al₂O₃包覆NCM改善電池性能的原因進行分析：表面包覆的Al₂O₃能同LiPF₆反應(yīng)生成LiPO₂F₂。LiPO₂F₂是目前公認(rèn)的有益電池性能的電解液添加劑，將Al₂O₃直接分散在電解液中，Al₂O₃能同LiPF6反應(yīng)生成LiPO2F₂也會得到類似的效果，從而提升電池電化學(xué)性能。

陶瓷材料在SOFC中的應(yīng)用

固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的全固態(tài)電化學(xué)發(fā)電裝置，能量轉(zhuǎn)換效率高，可達到60%左右，產(chǎn)生的熱進行熱電聯(lián)供效率可達到80%以上，是目前最為前沿、也是技術(shù)難度最高的一代燃料電池。SOFC的電解質(zhì)、陰極和陽極都是陶瓷材料，因此SOFC又被稱為陶瓷基燃料電池。

SOFC工作原理圖

其中SOFC的電解質(zhì)是致密的氧離子導(dǎo)體，主要是螢石型結(jié)構(gòu)氧化物或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物；電極是多孔的氧離子和電子混合導(dǎo)體，其中陽極主要是金屬陶瓷復(fù)合材料或鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物材料，陰極主要是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物材料。電解質(zhì)材料的氧離子傳導(dǎo)性能和電極的荷電傳導(dǎo)及催化活性共同決定了SOFC的性能。

參考來源：

[1]陳爍爍.固體氧化物燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及展望

[2]常貴可等.國內(nèi)固體氧化物燃料電池研究現(xiàn)狀與展望

[3]孫仲振.陶瓷在鋰離子電池的應(yīng)用研究及發(fā)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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