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陶瓷材料在锂离子电池中的应用

1、陶瓷在正极材料中的应用

Al₂O₃材料为无机氧化物，也属于惰性材料，氧化铝通过包覆在正极材料表面可减少正极材料和锂电池中的电解液直接接触，进而提升锂离子电池性能，采用氧化物作为包覆材料对正极材料进行包覆改性应用得较为广泛。

陈道明等以尿素为沉淀剂，采用均匀沉淀法在其表面包覆不同比例Al₂O₃包覆层，研究其对LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂电化学性能的影响。研究制备的样品中，SEM、TEM图结果表明Al₂O₃均匀的包覆在正极材料表面。相比而言，1%Al₂O₃包覆正极材料具有比较好的电化学性能，具有首次放电容量189.56mAh/g；首次库伦效率87.95%；其在电池的循环性能、倍率性能测试中也表现最佳。通过循环伏安法和电化学阻抗分析，LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂电池表现的性能提高，主要原因是Al₂O₃包覆在正极材料表面抑制了电解液和正极材料在电池循环过程的副反应，也减小了界面阻抗值。

2、陶瓷在负极材料中的应用

负极极片表面涂覆Al₂O₃涂层同样能够改善锂电池的安全性和电化学性能。很多人不了解Al₂O₃陶瓷涂覆锂离子电池极片表面的工艺，鲜有人知陶瓷涂覆在极片上对锂离子电池性能提升的效果。在负极极片上涂覆的Al₂O₃涂层可有效抑制析出金属锂和电解液的相互反应，因此，Al₂O₃涂覆在负极极片表面上能够显著提高锂电池的安全性，尤其是在开放环境下的针刺实验不会发生热失控的结果值得关注。

3、陶瓷在隔膜材料中的应用

PE、PP具有价低易得、资源丰富、强度高、耐熔耐腐蚀等优点，都是属于聚烯烃材料，PE、PP隔膜作为商业隔膜，都在锂离子电池中得到应用。虽然在锂电池中纤维素复合膜作为隔膜也有应用，但在锂离子电池中应用仍以具有微孔结构的PE、PP聚烯烃薄膜为主。当出现锂离子电池内部快速升温时，隔膜会发生收缩、软化，从而引发锂离子电池的内部发生短路，易造成火灾、爆炸等。锂离子电池安全性与隔膜的原材料和隔膜结构有关，很多学者将陶瓷隔膜作为研究重点，改性锂离子电池的隔膜，提高耐高温性从而限制锂电池内部温度升高和短路。在聚烯烃隔膜表层涂覆无机氧化物Al₂O₃涂层，制备的陶瓷隔膜具有热稳定性，隔膜热收缩性得到改善，锂离子电池的安全性能也得到提高。

4、陶瓷在电解液中的应用

在电解液中添加Al₂O₃不但能提升循环、倍率性能，也能达到提升电池安全性的目的。Jeff Dahn对Al₂O₃包覆NCM改善电池性能的原因进行分析：表面包覆的Al₂O₃能同LiPF₆反应生成LiPO₂F₂。LiPO₂F₂是目前公认的有益电池性能的电解液添加剂，将Al₂O₃直接分散在电解液中，Al₂O₃能同LiPF6反应生成LiPO2F₂也会得到类似的效果，从而提升电池电化学性能。

陶瓷材料在SOFC中的应用

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种将燃料与氧化剂中的化学能直接转换成电能的全固态电化学发电装置，能量转换效率高，可达到60%左右，产生的热进行热电联供效率可达到80%以上，是目前最为前沿、也是技术难度最高的一代燃料电池。SOFC的电解质、阴极和阳极都是陶瓷材料，因此SOFC又被称为陶瓷基燃料电池。

SOFC工作原理图

其中SOFC的电解质是致密的氧离子导体，主要是萤石型结构氧化物或钙钛矿结构氧化物；电极是多孔的氧离子和电子混合导体，其中阳极主要是金属陶瓷复合材料或钙钛矿结构氧化物材料，阴极主要是钙钛矿结构氧化物材料。电解质材料的氧离子传导性能和电极的荷电传导及催化活性共同决定了SOFC的性能。

参考来源：

[1]陈烁烁.固体氧化物燃料电池产业的发展现状及展望

[2]常贵可等.国内固体氧化物燃料电池研究现状与展望

[3]孙仲振.陶瓷在锂离子电池的应用研究及发展

（中国粉体网编辑整理/山川）

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