氧化铝在新能源电池中的应用

日期：2022-06-16 浏览次数：次

当今正处(chu)于新能源技术快速发(fa)展(zhan)的时(shi)(shi)(shi)代(dai)潮(chao)流中，锂离(li)子(zi)(zi)电(dian)池行(xing)(xing)业迅速发(fa)展(zhan)，我国(guo)是锂离(li)子(zi)(zi)电(dian)池的主要出(chu)口(kou)国(guo)，拥有像宁德时(shi)(shi)(shi)代(dai)、比亚迪(di)、欣旺达等(deng)一批优(you)秀(xiu)企(qi)业，同时(shi)(shi)(shi)我国(guo)锂离(li)子(zi)(zi)电(dian)池近年来出(chu)口(kou)量不(bu)断增多，行(xing)(xing)业处(chu)于上升时(shi)(shi)(shi)期，锂电(dian)池的发(fa)展(zhan)备受关(guan)注。

氧化铝在新能源电池中的应用

2016-2020年中(zhong)国锂离(li)子电池出口(kou)量及(ji)金额变化趋(qu)势图

太(tai)阳能(neng)(neng)可以(yi)认为是(shi)(shi)取(qu)之不尽用之不竭的清洁能(neng)(neng)源。当(dang)前的太(tai)阳能(neng)(neng)工业(ye)主(zhu)要有(you)两大支柱产(chan)(chan)业(ye)：即太(tai)阳能(neng)(neng)热(re)利用产(chan)(chan)业(ye)和太(tai)阳能(neng)(neng)光(guang)伏制造产(chan)(chan)业(ye)。其中光(guang)伏制造产(chan)(chan)业(ye)是(shi)(shi)世(shi)界上(shang)增(zeng)长最(zui)(zui)快的高新技术产(chan)(chan)业(ye)之一，而(er)太(tai)阳能(neng)(neng)光(guang)电利用是(shi)(shi)近年来发展最(zui)(zui)快，最(zui)(zui)具活力(li)的研(yan)究领域，也是(shi)(shi)其中最(zui)(zui)受(shou)瞩目的项(xiang)目之一。

氧化铝在新能源电池中的应用

2014-2019年中国太阳能电池(chi)产(chan)量(liang)变化图(tu)

锂离(li)子电池(chi)以及太(tai)阳能(neng)电池(chi)已(yi)经出现在(zai)我(wo)们生(sheng)活的(de)各(ge)个角落中，氧化铝凭借其高强度、高模量(liang)、耐高温等优异性能(neng)广泛应用于各(ge)个领域(yu)，但是二者(zhe)之间又(you)有何关联呢，接下来(lai)让我(wo)们一(yi)起发现二者(zhe)的(de)“亲密”关系。

（一）氧化(hua)铝在锂离子(zi)电池中(zhong)的使(shi)用

锂离子(zi)电(dian)池(chi)目(mu)前已在手(shou)机、数码(ma)相机、笔记本电(dian)脑等电(dian)子(zi)产品，以(yi)及电(dian)动自行车(che)等领域(yu)得到了广泛应用，其(qi)有(you)望(wang)在电(dian)动汽车(che)、风(feng)能及太(tai)阳能等洁(jie)净能源的(de)短期储能得到大规模应用，从而(er)得到快速发展。

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惠(hui)普锂离子笔记本电(dian)池

在锂离子电池各(ge)部分组(zu)成中，隔(ge)膜(mo)是关键的内部组(zu)件之(zhi)一。隔(ge)膜(mo)吸收电解液后(hou)，可(ke)隔离正、负极，以防止短路(lu)，同时(shi)允许锂离子的传(chuan)导。在过(guo)度(du)充电或者温度(du)升高时(shi)，隔(ge)膜通(tong)过(guo)闭孔来阻隔(ge)电流传(chuan)导，防止爆炸。隔(ge)膜性(xing)能的好坏(huai)决定电(dian)池(chi)的(de)界(jie)面结(jie)构和内阻，进(jin)而影响电(dian)池(chi)的(de)容量、循环性能，充放电(dian)电(dian)流(liu)密(mi)度(du)等关键(jian)特性(xing)。

氧化铝在新能源电池中的应用

锂离子电池结构示意(yi)图

目前，商业化的(de)锂离子电池用隔膜主要是以聚(ju)乙烯(xi)(PE)、聚丙烯(PP)为主的聚烯烃隔膜，包括单层PE、单(dan)层PP、三(san)层PP/PE/PP复(fu)合膜。这类聚烯烃(ting)薄膜是一(yi)种热塑(su)性材料，在温度高(gao)于玻璃(li)化温度(130℃或(huo)150℃)的条件下具有收缩孔隙和(he)自(zi)闭合功(gong)能(neng)，通(tong)过阻断电(dian)池(chi)内(nei)部(bu)的电(dian)流(liu)，来(lai)防止(zhi)电池因过热(re)(re)发生热(re)(re)失(shi)控而导致爆炸，聚(ju)烯(xi)烃类薄膜(mo)是一种(zhong)相对安全的隔膜(mo)材料。然而(er)受到冲击(ji)、刺穿、短路等(deng)情(qing)况(kuang)，电(dian)池(chi)(chi)内(nei)部的(de)热(re)量(liang)会迅速积聚，使电(dian)池(chi)(chi)局(ju)部温度(du)快速达到聚烯烃薄膜的(de)熔断温度(du)，造成(cheng)正(zheng)负极直接接触而引发(fa)电(dian)池(chi)(chi)热(re)失控，最终导致电(dian)池(chi)(chi)燃(ran)烧(shao)甚(shen)至爆炸。

氧化铝在新能源电池中的应用

锂电(dian)池隔膜

一般可以采(cai)用对锂离子电(dian)池隔膜进(jin)行表(biao)面改(gai)性的方法(fa)提升电(dian)池的安全(quan)性能，该方法(fa)主要是通过在电池隔膜上(shang)涂覆A1₂O₃陶(tao)瓷涂层，来改善固液界(jie)面的(de)热稳定性及浸润性，从而进一步提(ti)高电(dian)池的循(xun)环性(xing)能及安全性(xing)能。如可以用聚烯烃类薄(bo)膜为基底(di)，通过相转化(hua)将A1₂O₃与基底复(fu)合形(xing)成复(fu)合型陶(tao)瓷隔膜。当然也可以(yi)利用烧(shao)结的方(fang)(fang)法，直接将陶瓷(ci)材料(liao)制备成无机(ji)陶瓷(ci)隔膜。这(zhei)两(liang)种方(fang)(fang)法制备出的隔膜耐热性(xing)能(neng)优(you)于聚烯烃(ting)薄膜，进而对电池的安全性能有所提(ti)升。

氧化铝在新能源电池中的应用

有无(wu)陶(tao)瓷涂(tu)层电(dian)池(chi)隔膜对比图(tu)

除(chu)了(le)对电池(chi)隔膜进行(xing)改变外(wai)，还可以在电极材料(liao)合成过(guo)程中采(cai)用纳米材(cai)料(liao)对其进行改性，提升其循环特性和(he)安全性，如有不少(shao)研究者在正(zheng)极(ji)材(cai)料(liao)LiCoO₂、LiNiO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄及LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂表(biao)面包覆各种氧化(hua)物如(ru)Al₂O₃等(deng)材料，改善(shan)材(cai)料(liao)结构稳定性，降(jiang)低(di)电池循(xun)环过程中的副反(fan)应及发热(re)量，提(ti)高正(zheng)极材料的电化学特性。如在(zai)锂离子电池充(chong)放电过(guo)程中(zhong)，锂离子在(zai)正负极材(cai)料中(zhong)反复嵌入(ru)与脱嵌，使普遍采(cai)用的正极活性材(cai)料LiCoO₂的结(jie)构在多(duo)次(ci)收(shou)缩和膨胀后发生改(gai)变(bian)，同(tong)时(shi)导致LiCoO₂发生层间(jian)松动而(er)脱(tuo)落，使内阻(zu)增大，导致电化(hua)学比容量减(jian)小(xiao)。对此可以采用在LiCoO₂表面包覆一(yi)层氧(yang)化物(wu)A1₂O₃从(cong)而避(bi)免LiCoO₂与电解液直接接触，减少电化学比(bi)容量损失，改善(shan)其循环性能。

（二）氧(yang)化铝在(zai)晶体硅太阳能电(dian)池中的应用(yong)

当(dang)今的(de)(de)(de)晶(jing)体(ti)硅光伏产业正朝着更(geng)(geng)薄、更(geng)(geng)高效的(de)(de)(de)电池片方向发展，而当(dang)硅片的(de)(de)(de)的(de)(de)(de)厚度小(xiao)于少(shao)数载流(liu)子的(de)(de)(de)扩散长度时(shi)，电池表(biao)面(mian)的(de)(de)(de)复合(he)速率(lv)(lv)对(dui)电池效率(lv)(lv)的(de)(de)(de)影响(xiang)就会更(geng)(geng)加明显。硅材料中(zhong)存在大量的(de)(de)(de)杂(za)质、缺陷密度和表(biao)面(mian)态，它们会在禁带间隙中(zhong)引入(ru)多余(yu)的(de)(de)(de)能级，成为少(shao)数载流(liu)子的(de)(de)(de)复合(he)中(zhong)心，所(suo)以通过对(dui)晶(jing)体(ti)硅表(biao)面(mian)进行钝化降低硅材(cai)料表面活性，提高少数(shu)载流(liu)予(yu)的(de)寿命(ming)，对(dui)提高电池效率意义(yi)重大。

氧化铝在新能源电池中的应用

晶(jing)体硅太阳能电池

目前高效率的实验室太阳(yang)能电池晶体(ti)硅(gui)表(biao)面(mian)的钝化工(gong)艺主(zhu)要包括热氧化SiO₂、原子层沉积Al₂O₃，由于(yu)硅材(cai)料的体寿命对于(yu)高温过程具有敏(min)感性，从而限制(zhi)了热(re)氧化SiO₂钝(dun)化工艺(yi)的应用。原子层沉积Al₂O₃的沉积(ji)温度低(di)，且氧化铝薄膜具有优异的场效应钝(dun)化和化学钝化特性，同时氧(yang)化铝薄膜(mo)及其叠层具有良好的(de)热稳(wen)定(ding)性，满足丝(si)网印刷和高温烧结的(de)传统工业太阳(yang)电(dian)池工艺的(de)要求(qiu)。

氧化铝在新能源电池中的应用

原子层沉(chen)积Al₂O₃薄膜图（图来源：苏州复纳电子(zi)科技有(you)限(xian)公司）

在晶(jing)体(ti)硅(gui)太阳能电池中Al₂O₃钝(dun)化常用于发射极及(ji)背面局部(bu)扩散太(tai)阳(yang)能(neng)电池(chi)(PERL)和钝化发射极及钝化背面太阳能(neng)电(dian)池(chi)(PERC)两种结构。随着(zhe)研(yan)究(jiu)的深入和(he)技术的不断进(jin)步，氧化铝钝化薄膜(mo)会取得更大的进(jin)展，并将在(zai)太阳电池工业生(sheng)产中得到广泛(fan)的应用。

氧化铝在新能源电池中的应用

Al₂O₃钝化应用（a）PERL结构；（b）PREC结构

结论

安全性能是制约(yue)锂(li)离子电池大型化发展(zhan)的关键，我们可以(yi)采用涂敷氧化铝(lv)陶瓷涂层(ceng)的(de)方(fang)法，提高电池的电化学性能和安全(quan)性能。同样(yang)凭借(jie)氧化(hua)(hua)铝优异的场效应(ying)钝(dun)(dun)化(hua)(hua)特性和良(liang)好的化(hua)(hua)学钝(dun)(dun)化(hua)(hua)性质，可以通过原子层沉积(ji)的方(fang)法来改(gai)善(shan)太阳能电池的表面钝(dun)化质(zhi)量，降低表面的复(fu)合(he)速率，进(jin)而提高太阳能(neng)电池的转换效(xiao)率。总之，氧化铝是提升(sheng)锂离子电池安全性能，提高太阳能电池转换效率的(de)绝佳帮手。