氧化铝在新能源电池中的应用

日期：2022-06-16 浏览次数：次

当今(jin)正处于新能源技术快速(su)发(fa)展的时(shi)代(dai)潮流中(zhong)，锂(li)离子(zi)电(dian)池(chi)行业迅(xun)速(su)发(fa)展，我(wo)国(guo)是锂(li)离子(zi)电(dian)池(chi)的主要出口国(guo)，拥有像宁德时(shi)代(dai)、比亚迪、欣(xin)旺(wang)达等一批优秀企业，同时(shi)我(wo)国(guo)锂(li)离子(zi)电(dian)池(chi)近年来出口量不断增(zeng)多，行业处于上升(sheng)时(shi)期，锂(li)电(dian)池(chi)的发(fa)展备受关注。

氧化铝在新能源电池中的应用

2016-2020年中国(guo)锂离子电(dian)池出口(kou)量及(ji)金额变化趋势图

太(tai)阳(yang)能(neng)可以认为是(shi)取之(zhi)不尽用(yong)之(zhi)不竭的(de)(de)清洁能(neng)源。当(dang)前的(de)(de)太(tai)阳(yang)能(neng)工(gong)业主要(yao)有两大支柱产业：即太(tai)阳(yang)能(neng)热(re)利(li)(li)用(yong)产业和太(tai)阳(yang)能(neng)光(guang)伏制造(zao)产业。其(qi)中光(guang)伏制造(zao)产业是(shi)世界上增(zeng)长最(zui)(zui)快的(de)(de)高(gao)新技术产业之(zhi)一，而太(tai)阳(yang)能(neng)光(guang)电利(li)(li)用(yong)是(shi)近年来发展最(zui)(zui)快，最(zui)(zui)具(ju)活力的(de)(de)研究领域(yu)，也是(shi)其(qi)中最(zui)(zui)受瞩目的(de)(de)项(xiang)目之(zhi)一。

氧化铝在新能源电池中的应用

2014-2019年中国太阳能电(dian)池产(chan)量变化(hua)图

锂离子电池以及太(tai)阳能(neng)电池已经出现(xian)在我们生活的各(ge)个(ge)(ge)角落中，氧(yang)化铝凭借其高(gao)(gao)强度(du)、高(gao)(gao)模(mo)量、耐(nai)高(gao)(gao)温等优异性能(neng)广泛应用(yong)于各(ge)个(ge)(ge)领域，但是二(er)者之(zhi)间又有何关(guan)联呢，接下来让我们一起发现(xian)二(er)者的“亲密”关系。

（一）氧化铝在锂(li)离子电池中(zhong)的使用

锂(li)离子(zi)电(dian)池目(mu)前已在(zai)手机(ji)、数(shu)码相(xiang)机(ji)、笔记本电(dian)脑(nao)等电(dian)子(zi)产品，以及电(dian)动自(zi)行车等领域得到了(le)广(guang)泛(fan)应用，其有望(wang)在(zai)电(dian)动汽车、风能及太阳(yang)能等洁净能源的短(duan)期储(chu)能得到大规模应用，从而得到快速(su)发展(zhan)。

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惠(hui)普锂离子(zi)笔(bi)记本电池

在锂离子电池各部(bu)分组(zu)成中，隔(ge)(ge)膜是关键(jian)的内部(bu)组(zu)件之一。隔(ge)(ge)膜吸收(shou)电解(jie)液(ye)后(hou)，可隔离正、负极(ji)，以防(fang)止短路(lu)，同(tong)时允许锂离子的传导。在过(guo)度充电(dian)或者温度升高(gao)时，隔(ge)膜通过(guo)闭孔来阻隔(ge)电(dian)流(liu)传导，防(fang)止爆炸。隔(ge)膜性能的好坏决定电池(chi)的界面结构和内阻，进而影(ying)响电池(chi)的容量(liang)、循环性能，充放电电流密度(du)等关键特性。

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锂离子电池结(jie)构示意图

目前(qian)，商业(ye)化的(de)锂离子电(dian)池(chi)用隔膜主要(yao)是以(yi)聚乙烯(xi)(PE)、聚丙烯(PP)为主的聚烯烃隔膜，包括单层PE、单层PP、三层PP/PE/PP复合膜。这类聚烯(xi)烃薄膜是(shi)一(yi)种热(re)塑性材料(liao)，在温度高于(yu)玻璃化温度(130℃或(huo)150℃)的(de)条件下具有收(shou)缩(suo)孔隙和自闭合功能(neng)，通过阻断(duan)电池内部(bu)的电流，来防止电(dian)池(chi)因过热发生热失控而导致爆炸，聚烯烃类薄(bo)膜是一(yi)种相对(dui)安全的隔膜材料。然而受到冲击、刺(ci)穿(chuan)、短路等情况(kuang)，电池(chi)(chi)内部的热量会迅速积聚(ju)，使电池(chi)(chi)局部温(wen)度快速达到聚(ju)烯烃薄膜的熔断温(wen)度，造(zao)成正负极(ji)直接(jie)接(jie)触而引(yin)发电池(chi)(chi)热失(shi)控，最终导致电池(chi)(chi)燃烧(shao)甚至爆炸(zha)。

氧化铝在新能源电池中的应用

锂电(dian)池隔膜(mo)

一般(ban)可以采用对(dui)锂离子电池隔膜进(jin)行(xing)表面改性(xing)的方法(fa)提(ti)升电池的安全性(xing)能，该方法(fa)主要是(shi)通(tong)过在电池隔膜(mo)上涂覆A1₂O₃陶瓷涂层，来改善(shan)固液界面的热稳(wen)定(ding)性及浸润性，从而进一(yi)步提高电池(chi)的循(xun)环性能及安全性能。如可以(yi)用聚(ju)烯烃类(lei)薄膜(mo)为基底(di)，通过相(xiang)转化将(jiang)A1₂O₃与(yu)基底复(fu)合形(xing)成复(fu)合型陶(tao)瓷隔膜。当然也可以利用烧结(jie)的方法(fa)，直接(jie)将陶瓷材料制(zhi)备成无机(ji)陶瓷隔(ge)(ge)膜(mo)。这两种方法(fa)制(zhi)备出的隔(ge)(ge)膜(mo)耐热性能优于聚烯烃薄(bo)膜(mo)，进(jin)而对(dui)电(dian)池的安(an)全性能有(you)所提升。

氧化铝在新能源电池中的应用

有无(wu)陶瓷涂层(ceng)电池隔膜对比图(tu)

除了(le)对(dui)电池隔膜进行改(gai)变外，还可以(yi)在电极材料合成过程(cheng)中采用(yong)纳米材料对其(qi)进行改性，提升其(qi)循环特(te)性和安全性，如(ru)有不少研究者在正极材料LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄及LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂表面(mian)包覆各种氧(yang)化(hua)物如Al₂O₃等材料，改(gai)善材料结(jie)构稳定性(xing)，降低电池(chi)循(xun)环过程中(zhong)的副反应及发热(re)量(liang)，提高正极材料的电化学特性。如在锂(li)离子电池充(chong)放电过程中，锂(li)离子在正(zheng)负(fu)极材(cai)料(liao)中反复(fu)嵌入与(yu)脱嵌，使普遍采用(yong)的正(zheng)极活性(xing)材(cai)料(liao)LiCoO₂的结构(gou)在多次(ci)收缩和膨(peng)胀后发生改变(bian)，同时导(dao)致LiCoO₂发生层间松动而脱落，使内阻增大，导(dao)致电化学(xue)比容(rong)量减小(xiao)。对此可以采(cai)用在(zai)LiCoO₂表面包覆一层氧化物A1₂O₃从而避免LiCoO₂与电(dian)解液直接接触，减少电化(hua)学(xue)比容量损失，改善其循(xun)环性能。

（二）氧化铝(lv)在晶体(ti)硅太阳能电(dian)池中的应用

当(dang)今的(de)晶(jing)体(ti)硅(gui)光(guang)伏产业正朝(chao)着更(geng)(geng)薄、更(geng)(geng)高效的(de)电池(chi)片方(fang)向发(fa)展，而当(dang)硅(gui)片的(de)的(de)厚度小于少(shao)数载流(liu)子的(de)扩散(san)长度时，电池(chi)表面(mian)的(de)复合(he)速率对(dui)电池(chi)效率的(de)影响就(jiu)会(hui)更(geng)(geng)加明显。硅(gui)材料中存在大量的(de)杂(za)质、缺陷密度和(he)表面(mian)态，它们会(hui)在禁带间隙中引(yin)入多(duo)余的(de)能级，成为(wei)少(shao)数载流(liu)子的(de)复合(he)中心，所以通过对(dui)晶(jing)体(ti)硅(gui)表面(mian)进行钝化降低硅(gui)材(cai)料表面活性，提高(gao)少数载流予(yu)的寿命(ming)，对(dui)提高电池效(xiao)率意义重大。

氧化铝在新能源电池中的应用

晶体硅太(tai)阳能电池

目(mu)前高(gao)效率的(de)实验室太阳能电(dian)池(chi)晶体(ti)硅表面的(de)钝化工艺主要包括热氧化SiO₂、原子(zi)层沉(chen)积Al₂O₃，由(you)于(yu)硅材(cai)料的体寿(shou)命对于(yu)高(gao)温过(guo)程具有敏感性(xing)，从而限制了热氧化SiO₂钝化工(gong)艺的应用。原子层(ceng)沉(chen)积Al₂O₃的沉(chen)积温度低，且(qie)氧化铝薄膜具(ju)有优异的场效应(ying)钝(dun)化(hua)和化学钝化特(te)性(xing)，同时氧化铝薄膜及其叠层具有(you)良好(hao)的热稳(wen)定(ding)性，满足丝网印(yin)刷和高(gao)温烧结的传统工(gong)业太(tai)阳电(dian)池工(gong)艺的要求。

氧化铝在新能源电池中的应用

原子层沉积(ji)Al₂O₃薄膜图（图来源(yuan)：苏州复纳电子科技有限公司）

在(zai)晶(jing)体硅(gui)太阳能电池中Al₂O₃钝(dun)化常用(yong)于发射极及背面局部扩散(san)太阳能电池(PERL)和钝化发射极及钝化背面太阳能电池(PERC)两种结构。随着(zhe)研究的深(shen)入和技术(shu)的不断进(jin)步，氧化(hua)铝钝化(hua)薄膜会(hui)取得更(geng)大的进(jin)展，并将在太阳电(dian)池工业生(sheng)产中得到广泛的应用(yong)。

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Al₂O₃钝化应(ying)用(yong)（a）PERL结构；（b）PREC结构

结论

安全性能是制约锂(li)离子电池大型化发(fa)展的关键，我们可以采用涂敷氧化(hua)铝陶瓷涂层的方法，提高电池的电化(hua)学性(xing)能和(he)安全性(xing)能。同样(yang)凭借氧化(hua)铝优异(yi)的场(chang)效应钝化(hua)特性和(he)良(liang)好(hao)的化(hua)学(xue)钝化(hua)性质，可(ke)以通过原(yuan)子层沉积的方法来改善太阳(yang)能(neng)电池的(de)表(biao)面钝化质量，降低表(biao)面的复合速率，进而提高太阳(yang)能电池(chi)的转换效率。总之，氧化铝是提(ti)升锂离(li)子(zi)电(dian)池安(an)全性(xing)能(neng)(neng)，提(ti)高太阳(yang)能(neng)(neng)电(dian)池转换(huan)效率的(de)绝佳帮手。