隨著高新科技的不斷發(fā)展，先進陶瓷粉體及制品在某些高技術(shù)領(lǐng)域已成為關(guān)鍵材料和瓶頸材料。例如在鋰電行業(yè)，一些陶瓷材料恰恰在其生產(chǎn)鏈中充當了重要角色，這些材料有的是直接成為電極、隔膜材料，有的成為了封裝材料，還有一些則成為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的輔助材料，這些陶瓷材料市場也因為鋰電而風生水起。今天，我們就來了解一下生產(chǎn)一塊鋰電池需要用到哪些陶瓷材料。
陶瓷隔膜
鋰離子電池主要由正極材料、負極材料、隔膜、電解液以及封裝材料等五部分組成。隔膜是鋰離子電池材料中技術(shù)壁壘最高的部分，其成本占比僅次于正極材料，約為10%~14%，在一些高端電池中隔膜成本占比甚至達到20%。
傳統(tǒng)隔膜的劣勢
商品化的鋰離子電池隔膜主要是聚乙烯、聚丙烯微孔膜。聚烯烴隔膜也有缺陷，一方面，當外界溫度達到或超過隔膜熔點時，隔膜自身會發(fā)生大面積收縮或熔融從而導致電池內(nèi)部熱失控現(xiàn)象或短路的產(chǎn)生，因此保持隔膜的尺寸和形貌不變是提高電池安全性的關(guān)鍵。為此美國Celgard公司制備了（PP／PE／PP）多層隔膜，雖其高溫下熱收縮性有所提高，但其機械強度低、針刺強度低且透氣性差；另一方面，由于聚烯烴隔膜極性與有機電解液極性不一致，導致電解液對隔膜的潤濕性不好，電池在反復充放電過程中隔膜對非水電解液的保持能力較差，從而影響電池的循環(huán)性能。
陶瓷隔膜的先進性及代表性材料
目前陶瓷隔膜按制備方法可分為兩類，一類是傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜或者無紡布膜為基底膜，運用黏結(jié)、熱壓或者嫁接的方法在基底膜上面覆蓋上一層陶瓷層，從而形成陶瓷復合膜；另一類是將納微級別的陶瓷顆?；烊胗袡C材料中，制成混合漿料，然后將漿料拉伸成膜或制成無紡布膜。
隨著平板電腦和電動汽車的普及，傳統(tǒng)聚烯烴隔膜，在耐高壓、高溫等性能上，無法滿足高電壓、高能量密度要求。采用隔膜涂層技術(shù)，利用陶瓷熱傳導率低，防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控；無機材料結(jié)構(gòu)特性，可改善隔膜的熱收縮性能，具有更高的安全性以及耐高電位的特點。此外，陶瓷涂層具有親水性，對液體電解質(zhì)具有更好的吸液功能，可同時改善鋰電池在充、放電過程中電池內(nèi)部電流的分布均勻性。
目前，最受關(guān)注的陶瓷隔膜材料有高純氧化鋁、勃姆石等。
1、高純氧化鋁
氧化鋁是一種高硬度的化合物，熔點為2054℃，沸點為2980℃，在高溫下可電離的離子晶體。氧化鋁作為一種無機物，具有很高的熱穩(wěn)定性及化學惰性，是電池隔膜陶瓷涂層的很好選擇。其優(yōu)點有：
（1）循環(huán)壽命長。降低了循環(huán)過程中的機械微短路，有效提升循環(huán)壽命；
（2）高倍率性。高純納米氧化鋁在鋰電池中可形成固溶體，提高倍率性和循環(huán)性能；
（3）高純納米氧化鋁還具有非常優(yōu)良的導熱性能。電池溫度過高時，這種材料可以很好地進行熱量傳導，從而解決了PP/PE材料導熱性差的問題；
（4）良好浸潤性。高純納米氧化鋁粉末具有良好的吸液及保液能力；
（5）高純納米氧化鋁材料還具有優(yōu)良的阻燃性。這是因為氧化鋁材料本身就是非常優(yōu)良的阻燃劑，即使因為溫度過高，達到燃燒零界點，該材料的良好的阻燃性能會阻止大范圍的燃燒甚至爆炸；
（6）電流過大時，能夠阻斷電流。隨著鋰離子電池容量的不斷提高，內(nèi)部蓄積的能量越來越大，內(nèi)部溫度會提高，有可能出現(xiàn)溫度過高使負極隔膜被融化而造成短路。
2、勃姆石
純勃姆石為白色，正雙軸晶體，屬于正交晶系中的雙錐點群。莫氏硬度3-3.5，比重為3-3.07。勃姆石（AlOOH）是γ-Al2O3的前驅(qū)體，以其獨特的化學、光學、力學性質(zhì)在陶瓷材料、復合材料、表面防護層材料、光學材料、催化劑及載體材料、半導體材料及涂料等領(lǐng)域得到普遍的應用。
勃姆石除了能夠滿足鋰電池對隔膜的要求外，通過與氧化鋁的對比還有以下優(yōu)勢：
（1）勃姆石的硬度低，在切割和涂覆過程中，對機械的磨損小，在成本上相對于高純氧化鋁來說更低。
（2）勃姆石耐熱溫度高，與有機物相容性好。
（3）勃姆石比重小，同樣重量比高純氧化鋁多涂覆25%的面積。
（4）涂覆平整度高、內(nèi)阻小。
（5）低能耗、生產(chǎn)過程對環(huán)境更加友好。
（6）勃姆石的吸水率僅是高純氧化鋁的一半。
（7）勃姆石的制備更為簡單，不像高純氧化鋁那樣要經(jīng)歷煅燒、粉碎、分級等一系列復雜過程。
（8）勃姆石材料的更換對隔膜企業(yè)和電池企業(yè)沒有設備及工藝更換的門檻，且對隔膜企業(yè)設備的損傷較小，隔膜企業(yè)也傾向于配合電池企業(yè)加快勃姆石材料驗證及產(chǎn)品驗證。
正極添加劑——氧化鋯
納米級復合氧化鋯產(chǎn)品在新能源領(lǐng)域的應用也不斷擴展，越來越多的鋰電池設計方案開始使用氧化鋯粉體作為正極添加材料，用以穩(wěn)定電池性能、增加循環(huán)壽命。我們以鎳鈷錳酸鋰（LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2）正極材料為例，來看一看納米氧化鋯對正極材料性能的影響。
1、對結(jié)構(gòu)的影響
通過對LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2摻雜ZrO2發(fā)現(xiàn)（下圖是在不同摻雜ZrO2量下合成的目標正極材料的XRD圖譜），在不同摻雜量下各個材料的XRD特征峰大致相同，經(jīng)過Jade分析后屬于六方晶系的α-NaFeO2型的層狀結(jié)構(gòu)，沒有其它的雜峰，說明ZrO2摻雜后的材料沒有影響到原始材料的整體結(jié)構(gòu)。
2、對形貌的影響
隨著Zr摻雜量的增加，材料的一次顆粒由最初200～400nm大小的規(guī)則塊狀顆粒逐漸變?yōu)榇笮?00～200nm、聚集致密的顆粒，由一次顆粒團聚而成的大顆粒僅有1～2μm，且摻雜后的材料一次顆粒都開始從球體上脫落，顆粒的球形度都不如未摻雜的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料。
顆粒尺寸越小，Li+的擴散路徑越短，越有利于Li+在層狀結(jié)構(gòu)中的脫嵌，但是在一定程度上摻雜后的材料也破壞了類球形的形貌。
3、對電化學性能的影響
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，ZrO2摻雜后的材料放電比容量都明顯高于原始的LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2材料，這可能與上面提到的ZrO2摻雜后材料的粒徑變小相關(guān)，顆粒尺寸變小后在充放電過程中材料的脫嵌更加容易，所以摻雜后材料的放電比容量上升。
隨著充放電的進行，一定量的摻雜離子Zr4+還可能遷移到電極表面并形成固溶體，防止了由于充放電期間各向異性結(jié)構(gòu)變化引起的結(jié)構(gòu)坍塌，同時固溶體還充當保護涂層防止了鈷溶解到電解質(zhì)中，因此，材料結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程的相變期間變得非常穩(wěn)定，循環(huán)穩(wěn)定性增強。
正極材料燒結(jié)—陶瓷窯具
近年來，隨著新能源汽車日益普及，電池正極材料需求快速增長，下游市場的蓬勃發(fā)展帶動了國內(nèi)窯具廠家積極升級生產(chǎn)設備，碳化硅陶瓷、堇青石陶瓷等窯具需求極速增長。
推板
在推板方面，目前，國內(nèi)外常用的推板為碳化硅質(zhì)和剛玉莫來石質(zhì)，碳化硅質(zhì)推板以氧化硅結(jié)合碳化硅的為主，因碳化硅在1300℃以上氧化較為顯著，其應用范圍受到限制，僅適用一些低端制造領(lǐng)域或是窯爐溫度較低的領(lǐng)域，當前較大的應用領(lǐng)域有鋰電正極材料推板窯，無機粉體煅燒推板窯，應用溫度均不高。
匣缽
在匣缽方面，如下表所示，不同材質(zhì)匣缽在鋰離子正極材料領(lǐng)域應用的情況不同。
堇青石-莫來石質(zhì)匣缽主要原料為黏土、堇青石、莫來石，在一些應用領(lǐng)域為了提高其抗侵蝕性會適當引入剛玉、尖晶石等原料，制品燒成后物相種類、數(shù)量以及組織結(jié)構(gòu)決定了其性能。堇青石-莫來石匣缽因其具有優(yōu)異的抗熱震性以及經(jīng)濟性，廣泛應用于鋰電池正極材料領(lǐng)域?；谔妓徜?氫氧化鋰堿性強，熔點低，對酸性耐火材料均有較強的腐蝕性，鋁硅質(zhì)匣缽的壽命普遍較低。石墨與碳化硅質(zhì)匣缽具有高導熱，耐高溫，抗熱震性能優(yōu)異等特點，抗氧化能力差，但在還原氣氛下抗堿侵蝕性能較出色。
輥棒
輥棒方面，輥道爐具有質(zhì)量輕，熱量損失少，蓄熱效果好，使用壽命長和燒成周期短等特點，被廣泛應用于玻璃制品、陶瓷制品、冶金工業(yè)、瓷磚制品和鋰電池正極材料等產(chǎn)業(yè)。在鋰電方面，輥道爐的作用主要是提供一個具有氧化性氣氛和熱量的封閉空間，以便實現(xiàn)鋰離子電池正極原材料的燒結(jié)。
陶瓷輥棒是輥道窯的關(guān)鍵部件，消耗量較大，它在產(chǎn)品連續(xù)性高溫燒成中起承載傳輸?shù)淖饔?，其使用時既要耐高溫，在長期轉(zhuǎn)動過程中又要具備抗高溫蠕變的特性。陶瓷輥棒主要材質(zhì)有：剛玉質(zhì)、鋁硅質(zhì)、熔融石英質(zhì)和碳化硅質(zhì)。其中碳化硅輥棒的材質(zhì)又有重結(jié)晶質(zhì)和反應燒結(jié)碳化硅質(zhì)，使用溫度可超1300℃，常被用為中、高溫輥道窯燒成帶用輥棒的首選材質(zhì)。
其它陶瓷材料
除此之外，還有一些陶瓷粉體或制品被用于鋰電池的制備或組裝中。在正極方面，據(jù)國瓷材料2022年半年報顯示，該公司高純超細氧化鋁還可以作為電池正極的添加材料，起到包覆和摻雜作用。
在負極方面，據(jù)了解，碳化硅微粉可以與石墨、碳納米管、納米氮化鈦等復合制成鋰電池的負極材料，可以提高鋰電池的容量及使用壽命。
在鋰電池密封環(huán)節(jié)，一枚硬幣大小的電子陶瓷環(huán)（學名“新型動力電池陶瓷密封連接器”）就是新能源電動汽車中的重要零部件，用于動力電池蓋板和極柱之間形成密封導電連接。
總之，隨著先進技術(shù)及材料的不斷開發(fā)，未來或許會有更多的陶瓷材料應用到鋰電池乃至整個新能源領(lǐng)域。
參考來源：
[1]錢凡等.窯具應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
[2]楊鈴等.鋰離子電池隔膜的國內(nèi)外研究技術(shù)進展
[3]儲健等.國內(nèi)外鋰離子電池隔膜的研究進展
[4]蘇丹等.鋰離子電池陶瓷隔膜研究進展
[5]鄒朝鑫.鋰離子電池正極材料的輥道爐燒結(jié)溫度場仿真及控制研究
[6]黃思達.鋰離子電池用氧化鋁陶瓷隔膜的制備及其性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）