鋰離子電池是一種高性能的二次電池，其能量密度高、自放電極低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)使其在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液構(gòu)成，其中隔膜的作用是將電池正負(fù)極分隔，既要防止正負(fù)極接觸而短路，又要確保電解質(zhì)離子順利通行。可以說(shuō)，隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，其重要性堪比人體的心臟瓣膜。
作為鋰電池的重要組成部分，隔膜的優(yōu)異與否直接影響鋰離子電池的容量、循環(huán)能力以及安全性能等特性。因此，鋰電池隔膜應(yīng)具有厚度均勻性、優(yōu)良的力學(xué)性能(包括拉伸強(qiáng)度和抗穿刺強(qiáng)度)、透氣性能、理化性能(包括潤(rùn)濕性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、安全性等)。
01 陶瓷材料作鋰電池隔膜的優(yōu)勢(shì)
目前商品化的鋰離子電池隔膜以聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)單層膜和聚乙烯/聚丙烯/聚乙烯三層膜為主，但由于上述隔膜的破膜溫度較低，如PE膜約140℃，PP膜約160℃，在電池使用不當(dāng)時(shí)極易造成隔膜收縮，甚至熔化，導(dǎo)致電池短路而引起嚴(yán)重事故。
針對(duì)這種情況，人們已經(jīng)采取了多種方法來(lái)提高隔膜的熱穩(wěn)定性，其中在PP或者PE隔膜上涂覆一層無(wú)機(jī)陶瓷顆粒被認(rèn)為是最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。其優(yōu)勢(shì)在于：
1.熱穩(wěn)定性好，陶瓷材料分布在隔膜的三維結(jié)構(gòu)中，形成特定的剛性骨架，憑借極高的熱穩(wěn)定性可有效防止隔膜在熱失控條件下發(fā)生收縮、熔融。
2.安全性高，陶瓷材料的熱傳導(dǎo)率低，能夠進(jìn)一步防止電池中的某些熱失控點(diǎn)擴(kuò)大形成整體熱失控，從而提高電池的安全性。
3.使用壽命提高，陶瓷材料一般為兩性氧化物，隔膜中的陶瓷粉體顆?？梢圆糠治针娊庖褐杏捎谖⒘克嬖诙傻腍F等雜質(zhì)，進(jìn)一步提升電池的使用壽命。
02 陶瓷涂覆材料種類(lèi)
在涂覆技術(shù)路線(xiàn)方面，涂覆材料主要包括無(wú)機(jī)物涂覆、有機(jī)物涂覆和功能性多層涂覆。無(wú)機(jī)物涂覆指的是以高純氧化鋁、勃姆石為代表的無(wú)機(jī)陶瓷粉體，能夠提高隔膜的耐髙溫性能。與有機(jī)涂覆和功能性多層涂覆技術(shù)相比，無(wú)機(jī)涂覆材料可以提高隔膜絕緣性，降低鋰電池的短路率、提高良品率及安全性，且下游客戶(hù)已形成產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在各類(lèi)涂覆材料中占據(jù)主導(dǎo)地位。
涂覆膜種類(lèi)與性質(zhì)
高純氧化鋁
高純氧化鋁具有微孔調(diào)節(jié)作用。高純氧化鋁為板狀晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，材料發(fā)熱，進(jìn)而板狀晶體結(jié)構(gòu)的高純納米氧化鋁涂層材料就會(huì)體積膨脹，就會(huì)閉合鋰電池隔膜上的電流傳導(dǎo)孔，從而起到阻斷電流的作用。這樣大大提高鋰電池的安全性能，從而為大功率鋰電池高能量安度且安全可靠充放電提供了可能。
鋰電池陶瓷隔膜用高純氧化鋁，來(lái)源：天馬新材
此外，高純納米氧化鋁還具有非常優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，電池溫度過(guò)高里，這種材料可以很好地進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，從而解決了PP/PE材料導(dǎo)熱性差的問(wèn)題。
另外，高純納米氧化鋁材料還具有優(yōu)良的阻燃性，這是因?yàn)楦呒冄趸X材料本身就是非常優(yōu)良的阻燃劑，即使因?yàn)闇囟冗^(guò)高，達(dá)到燃燒零界點(diǎn)，該材料的良好的阻燃性能會(huì)阻止大范圍的燃燒甚至爆炸。
勃姆石
勃姆石，亦稱(chēng)一水軟鋁石或薄水鋁石，分子式為γ-AlOOH，主要通過(guò)氫氧化鋁水熱法制成。作為鋰離子電池隔膜陶瓷涂層使用的勃姆石其顆粒形貌為均勻的多面體結(jié)構(gòu)。
勃姆石涂層能夠在較低的涂層厚度的前提下，有效的提升隔膜的熱穩(wěn)定性，提升鋰電池的安全性，改善電池的倍率性能和循環(huán)性能，同時(shí)較薄的涂層厚度有助于提升鋰離子電池的體積能量密度和重量能量密度。
勃姆石涂層，來(lái)源：中鋁鄭州研究院
其他材料
二氧化硅是一種低成本和環(huán)境友好的化合物，這種材料廣泛用于電子工業(yè)中。二氧化硅是目前除氧化鋁和勃姆石以外研究最多的一類(lèi)涂覆材料。
除此之外，其他的一些陶瓷材料如CeO2、MgAl2O4、ZrO、TiO2等也被廣泛的研究。使用這些材料制備的陶瓷隔膜均顯示出良好的熱穩(wěn)定性和對(duì)電解液優(yōu)異潤(rùn)濕性。
03 陶瓷隔膜市場(chǎng)
近年來(lái)，受益于儲(chǔ)能行業(yè)爆發(fā)增長(zhǎng)，2021年鋰電池隔膜產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全球隔膜總體產(chǎn)量76億平方米，同比增加150%，其中12月產(chǎn)量8.4億平方米，同比上漲109.3%，環(huán)比上漲10.3%。
材料方面，隔膜涂覆最早采用無(wú)機(jī)材料便是高純氧化鋁，業(yè)界發(fā)現(xiàn)氧化鋁涂覆對(duì)于涂布輥、分切刀等設(shè)備磨損極大，便開(kāi)始尋找一種硬度、密度更低，但具備相近改善效果的無(wú)機(jī)材料，最終定位于類(lèi)似氧化鋁但硬度很低的勃姆石。
相比于高純氧化鋁，選擇AlOOH作為鋰電池隔膜陶瓷涂層的原因有：
一、在動(dòng)力電池更加注重安全性能的趨勢(shì)下，勃姆石作為涂覆材料解決方案更能凸顯優(yōu)勢(shì)。
(1)高純勃姆石磁性異物含量更低，可有效防止漏電、短路，大大提升電池的主動(dòng)安全性能，同時(shí)能夠給電芯企業(yè)帶來(lái)明顯的良品率提升;
(2)勃姆石吸水率顯著低于傳統(tǒng)涂覆材料，有利于高鎳電池的水分控制，進(jìn)一步提高電池安全性能;
(3)勃姆石材料的替換對(duì)隔膜企業(yè)和電池企業(yè)在設(shè)備及工藝的更換方面沒(méi)有明顯的門(mén)檻，加上材料硬度低的特性，對(duì)設(shè)備(滾筒、切刀)的損傷較小，同時(shí)也降低生產(chǎn)過(guò)程中的異物帶入風(fēng)險(xiǎn)。
二、從資源到產(chǎn)能，勃姆石已經(jīng)形成了一定的行業(yè)壁壘。勃姆石的原材料是氫氧化鋁，來(lái)源非常豐富，原材料供應(yīng)充足，更利于勃姆石存量生產(chǎn)企業(yè)快速擴(kuò)大產(chǎn)能，發(fā)揮先發(fā)優(yōu)勢(shì)。而其他新興材料若要替代勃姆石，從生產(chǎn)、供應(yīng)，到技術(shù)路徑的選擇都將面臨巨大門(mén)檻。
高工產(chǎn)研鋰電研究所(GGII)數(shù)據(jù)顯示，主要受動(dòng)力鋰電池出貨量及涂覆隔膜出貨量雙雙上漲所帶動(dòng)，2022年中國(guó)鋰電池隔膜用勃姆石出貨量3.2萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)超70%。
工藝方面，陶瓷涂覆隔膜一般以PP、PE或者多層復(fù)合隔膜為基體，通過(guò)一定的涂覆工藝，在基體表面涂覆一層陶瓷，涂覆后，陶瓷與基體緊密粘結(jié)在一起。而隔膜表面涂覆陶瓷會(huì)形成不同的微孔結(jié)構(gòu)、透氣度以及離子電導(dǎo)率，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用雙面涂覆陶瓷隔膜，可提高電池的荷電保持性能和循環(huán)性能。
04 小 結(jié)
未來(lái)，隨著鋰電池能量密度的提高，對(duì)于隔膜的要求也會(huì)隨之提升。陶瓷材料以其低熱導(dǎo)率、高安全性以及電解液良好的親和性，成為未來(lái)動(dòng)力電池隔膜的發(fā)展方向。同時(shí)，合理優(yōu)化陶瓷材料、粘結(jié)劑，搭配合適的涂覆工藝，制備得到具有厚度均勻、孔結(jié)構(gòu)合理的陶瓷涂覆隔膜，同時(shí)兼顧成本、工程應(yīng)用的可靠性等將是今后研發(fā)工作的重點(diǎn)。
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