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电动汽车的需求是如何推动氧化铝市场的?
2021年02月26日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:296
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随着环保意识的加强,电力在消费领域正逐渐取代化石燃料成为更受追捧的供能来源,比如说电动汽车,在2012年前国内锂电市场还主要由数码产品需求驱动,但2013年后新能源动力汽车的锂电需求就取代平稳增长的数码产品成为锂电市场增长的动力源。

氧化铝

电动汽车的迅速普及,不仅加速了锂离子电池的制造,同时它也刺激了对高纯氧化铝HPA)的需求。据相关机构估值,2019-2027年期间全球锂离子电池市场的复合年增长率约为19.2% ,预计到这一预测期结束时,全球锂离子电池市场的 HPA 值将达到4.53亿美元。

由于锂离子电池本身是一个矛盾的综合体,在拥有高能量的同时,其稳定性就受到一定的挑战,为了保障安全性,就需要“氧化铝”的参与。目前氧化铝在锂电池中的参与可分为两方面:一是陶瓷隔膜,其对锂离子电池的循环及安全性能的增强已得到充分验证;二是在负极极片上涂覆陶瓷涂层,这种方法同样被认为有望在改善锂离子电池的安全性能上做出重大贡献。

氧化铝的重要性

陶瓷隔膜也好,直接在负极涂覆陶瓷涂层也好,之所以使用超细氧化铝材料进行制备,主要利用的是它的热稳定性绝缘性,此外它还具有强度高、耐腐蚀、防火、无毒等优点。

1.陶瓷隔膜

先说陶瓷隔膜,涂覆隔膜是指在基膜上涂布PVDF等胶黏剂或陶瓷氧化铝。经过涂覆处理,隔膜耐热收缩性提高,也避免因收缩造成大面积短路,同时防止电池中的某些热失控点 扩大形成整体热失控。而陶瓷隔膜就是将纳米级陶瓷颗粒涂覆在隔膜上,其作用主要是提高隔膜耐热收缩性,防止隔膜收缩造成大面积短路。另外,陶瓷热传导率低,防止电池中的某些热失控点扩大形成整体热失控。一般可耐高温在200℃左右。

隔膜作为电池的“第三极”,是锂离子电池中的关键内层组件之一

锂离子电池隔膜的缺点主要集中在熔融温度较低,耐热性能较差等方面。近年来,随着隔膜涂覆技术的成熟,通过对干法或湿法工艺生产的隔膜涂覆氧化铝、勃姆石无机材料后,上述耐高温涂覆隔膜在充放电过程中发生大面积放热后仍能保持隔膜的完整性,能够良好地解决隔膜耐热性能较差的问题。锂离子电池隔膜通过无机材料的涂覆,将极大地提升锂离子电池的安全性能,拓展应用领域,逐步进入涵盖动力类锂离子电池的中高端市场。

2.负极陶瓷涂层

目前,在负极极片上涂覆陶瓷以提高锂离子电池的安全性已经被很多厂家采用。涂层原料一般采用的是纳米化的氧化铝颗粒,可与CMC、SBR等按一定比例配置,用去离子水制成胶液涂覆在负极表面。涂覆有陶瓷粉末的负极片与正常的负极片的对比可看下图。

氧化铝

使用陶瓷涂层后,锂离子电池性能得到加强的地方有:

①内阻

由于氧化铝粉末是不导电的,涂有氧化铝粉末后,一方面降低了锂离子电池的自放电情况,另一方面阻碍了负极极片内部电子传输,导致锂电池内阻增大。不过锂电池内阻越大锂电池在充放电使用过程中就会发热量越大,所以在实际生产过程中,为了降低锂电池内阻,可以降低陶瓷涂层涂覆厚度来实现。

②循环寿命

锂离子电池负极采用石墨时,首次充放电时会在石墨表面形成SEI,这是一种固态电解质膜,是由于电子和电解液、锂离子反应形成的。在锂离子电池充放电过程中,SEI会不断的被破坏和重建,随着循环次数的增多SEI的厚度也会不断增厚,重复消耗电池中的活性锂离子,导致锂电池容量逐步降低。同时,SEI厚度的增大可能会影响锂离子的嵌入,导致在负极表面析出,形成锂枝晶造成锂电池短路。

而在负极表面涂上一层陶瓷粉末后,或许能够有效阻挡负极SEI 膜的增长,从而减小锂离子在电池循环使用过程中的损失。另外,电解液在电池循环过程中也会不断分解,而陶瓷涂层具有一定的吸液能力,从而可以提高电解液长期充放电循环时的容量保持率。

③锂电池自放电

锂离子自放电性能好坏对电池成组后的一致性有重要影响,电池模组具有典型的水桶效应,如果其中一块电池失效,那么会影响到整个模组的性能。所以,电池生产完成后需要经过一定天数的搁置,以此来挑选压降一致性良好的电池。在锂电池搁置过程中,生产过程中的一些问题会慢慢凸显出来,例如电极表面缺陷、正负极极片边缘毛刺、隔膜情况、封装不良、焊接不良、环境温湿度等。

试验发现,负极涂有陶瓷涂层的电池荷电保持能力更强,这是因为在负极表面涂上一层陶瓷,其实等同于使用陶瓷涂层隔膜了,更加稳定了,可以有效减少内短路的出现,减少锂电池自放电现象。

④安全性

无论是负极表面涂陶瓷还是采用陶瓷隔膜,对锂离子电池最重要的意义就是提高锂电池的安全性。在一次次电动车起火燃烧的事故中,烧掉的也是消费者对电动车的信赖,对整个行业的发展是极为不利的,锂电池企业必须要把安全性放在首位。

负极表面涂有陶瓷粉末的电池安全性更高,在锂电池安全性强制检验项中,挤压针刺短路挑战是很大的,挤压针刺属于滥用测试。例如在针刺试验中,针扎入电池内部后,相当于正负极内部导通,瞬间会产生极大的电流,形成大量的热量,同时会引起电解液分解产热、正极材料结构分解坍塌放热,当热量无法释放时就会冒烟、起火燃烧甚至爆炸。正如前文所述氧化铝陶瓷涂层具有较好的热稳定性,在负极表面涂覆陶瓷涂层能够延缓针刺过程中热量的急剧增大,从而延缓电解液的受热分解,避免短时间内产生大量气体而使电池爆炸。

总结

目前,电动汽车已在多个国家迅速普及,也为锂离子电池制造商提供了可观的利润和稳定的收入来源。因此这些制造商为了回应汽车制造商对高性能电池在安全性上的需求,必然要对氧化铝的应用进行更多的摸索与探究。因此完全有理由相信,氧化铝在电动汽车行业的需求前景仍能得到进一步的巩固。

资料来源:

锂电隔膜用高纯纳米氧化铝粉简介,王程民

负极涂覆陶瓷如何影响锂电池性能?来源:高工锂电技术与应用

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