鋰離子電池具有高電壓、高容量、體積小、重量輕、環(huán)保以及長(zhǎng)壽命等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品及電動(dòng)汽車領(lǐng)域。但是鋰離子電池的安全性目前仍存在一定的問(wèn)題，尤其是其在高溫、過(guò)充、短路等條件下的安全性問(wèn)題，已成為動(dòng)力型鋰離子電池大規(guī)模應(yīng)用時(shí)必須攻克的技術(shù)難題。

目前很多鋰電廠商采用了陶瓷粉體涂覆負(fù)極極片或采用陶瓷隔膜等與“陶瓷粉體”有關(guān)的材料來(lái)改善鋰電池的安全性。其實(shí)，陶瓷粉體并不是“陶瓷”，而是納米化的氧化鋁顆粒。納米氧化鋁是具有重要應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景的特種功能納米材料之一，具有很高的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性及高硬度等一系列優(yōu)良特性，廣泛用于陶瓷材料、生物醫(yī)學(xué)材料、半導(dǎo)體材料、催化劑載體、表面防護(hù)層材料以及光學(xué)材料。正是由于納米氧化鋁這樣好的熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為是很好的隔熱材料，有望在改善鋰離子電池的安全性能上做出重大貢獻(xiàn)。

目前，納米氧化鋁主要用于涂覆于電極或隔膜上以提高隔膜安全性、降低內(nèi)短路率最有效措施。

一、負(fù)極陶瓷涂層

目前一般將陶瓷粉體與CMC混合，用去離子水溶解后做成漿料。之后將漿料涂覆于極片上，經(jīng)干燥后極片在SEM下的狀態(tài)如圖1所示。陶瓷涂層呈顆粒狀均勻分布于負(fù)極表面。陶瓷涂層對(duì)鋰電池的性能的影響如下：

1.陶瓷涂層對(duì)鋰電池的容量無(wú)明顯影響；

2.添加陶瓷粉體會(huì)增加鋰電池內(nèi)阻。這是因?yàn)樘沾赏繉又饕煞譃锳l2O3，是不導(dǎo)電的，將陶瓷涂覆于負(fù)極材料表面將阻礙電子到達(dá)負(fù)極的路徑，因此電池的體電阻有所增加；

3.陶瓷涂層的電池循環(huán)性能要優(yōu)于沒(méi)有陶瓷涂層的電池。此外，在負(fù)極表面進(jìn)行涂覆陶瓷粉體，通過(guò)增加負(fù)極表面的鈍化效果，增強(qiáng)電子絕緣的方式，可以有效抑制電池高溫存儲(chǔ)條件下的電性能惡化將循環(huán)后電池極片進(jìn)行SEM分析如圖2所示。

非陶瓷涂層的負(fù)極極片表面覆蓋一層細(xì)小的顆粒物，推測(cè)是充放電過(guò)程中鋰沉積而形成的化合物，而陶瓷涂層的負(fù)極片表面則較為光滑，陶瓷較為均勻地分布于極片表面。由此可以推測(cè)該電池的循環(huán)性能與陶瓷涂層有關(guān)，電池在循環(huán)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致負(fù)極SEI膜的增長(zhǎng)從而變厚，而過(guò)厚的SEI膜不但消耗更多鋰離子，也使得充電過(guò)程中鋰離子不能很好地嵌入到負(fù)極內(nèi)，而在負(fù)極表面甚至是隔膜表面析出，從而造成循環(huán)過(guò)程中容量的損失。在負(fù)極表面涂上一層陶瓷隔膜，或許能夠有效阻擋負(fù)極SEI膜的增長(zhǎng)，從而減小鋰離子在循環(huán)過(guò)程中的損失。另外，電解液在電池循環(huán)過(guò)程中也會(huì)不斷分解，而陶瓷涂層具有一定的吸液能力，從而可以提高電解液長(zhǎng)期充放電循環(huán)時(shí)的容量保持率。因此，陶瓷涂層可以提高三元鋰離子電池的循環(huán)性能。

4.陶瓷涂層電池安全性要高于非陶瓷涂層的電池。將兩種不同電池在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行針刺實(shí)驗(yàn)。

陶瓷涂層的電池針刺峰值溫度為123.1℃，測(cè)試后電池略微鼓脹，并未出現(xiàn)冒煙和爆炸現(xiàn)象；而非陶瓷涂層的電池針刺峰值溫度為410℃，測(cè)試過(guò)程中電池爆炸并冒煙，將頂蓋沖破，未能通過(guò)測(cè)試。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能與負(fù)極表面陶瓷涂層有關(guān)，由于針刺是模擬電池內(nèi)短路，會(huì)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，而在負(fù)極表面涂覆陶瓷涂層能夠延緩針刺過(guò)程中熱量的急劇增大，從而延緩電解液的受熱分解，避免短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體而使電池爆炸。因此，陶瓷涂層對(duì)鋰離子電池的安全性能有明顯的提高。

二、陶瓷隔膜

目前，研究者主要從正負(fù)極材料、隔膜、電解液及電池設(shè)計(jì)等方面來(lái)改善電池性能，其中陶瓷隔膜是一種有效提高電池性能的途徑，陶瓷隔膜不僅可以提高電池的安全性能，也可提高電池的循環(huán)性能，降低自放電率。關(guān)于陶瓷隔膜的制造方法則多種多樣，有化學(xué)氣相沉積法、表面涂覆法等。陶瓷隔膜可以提高鋰離子電池的循環(huán)及安全性能，但其制備過(guò)程較難控制，另外隔膜上的陶瓷在循環(huán)過(guò)程中也容易發(fā)生脫落。

1.形態(tài)差異

市面上常見(jiàn)的隔膜是PP、PE、或者兩種復(fù)合加工制成。雖然這些微孔聚烯烴隔膜具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性，但是這些隔膜由于制備過(guò)程中存在內(nèi)應(yīng)力，在高溫環(huán)境下應(yīng)力釋放，隔膜會(huì)發(fā)生明顯的熱收縮效應(yīng)從而使得電池內(nèi)部正負(fù)極材料直接接觸導(dǎo)致內(nèi)短路產(chǎn)生，發(fā)生安全故障。將納米氧化鋁顆粒涂覆于隔膜表層則能高效的提高鋰電池的安全性。將陶瓷粉體與PVDF、NMP溶解混合、分散均勻后，開(kāi)啟涂布機(jī)將PE隔膜上進(jìn)行陶瓷粉體涂布，陶瓷涂層厚度可以控制，之后在80℃下干燥24h即制得陶瓷隔膜。陶瓷隔膜微觀形貌如圖4所示。

涂覆的納米A2O3顆粒完全覆蓋在PE隔膜的表面，且顆粒之間存在著不均一的較大空洞分布，這些較大空隙的存在能有利于Li+的嵌入與脫出且對(duì)電解液具有很好的吸液性及保液性能，從而不影響涂覆涂層后的隔膜對(duì)鋰電池的充放電性能。

2.熱收縮程度

陶瓷涂層有利于提高隔膜的耐高溫性質(zhì)，將陶瓷隔膜和普通隔膜放于不同溫度的箱子中2h，兩種隔膜在收縮率上有很大的區(qū)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

隔膜在高溫下會(huì)收縮是因?yàn)楦裟ぴ谥苽溥^(guò)程中由于牽引拉伸使得隔膜存在內(nèi)應(yīng)力，在高溫環(huán)境下由于隔膜內(nèi)部分子鏈的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力釋放從而發(fā)生大面積收縮；但是陶瓷涂層隔膜在140℃烘烤條件下除隔膜顏色發(fā)生變化以外其本身的形態(tài)未發(fā)生改變，當(dāng)在隔膜表面兩側(cè)涂覆的無(wú)機(jī)涂層具有耐高溫隔熱性能，從而降低基體隔膜本身的溫度，使得隔膜在高溫環(huán)境下仍保持原有形態(tài)。

3.陶瓷隔膜有利于提高電池安全性

PE隔膜在溫度高于其熔點(diǎn)溫度下會(huì)發(fā)生大面積收縮，從而使得電池內(nèi)部正負(fù)極極片直接接觸導(dǎo)致內(nèi)部短路因此所測(cè)電池內(nèi)阻迅速降低；然而對(duì)于涂覆涂層的隔膜即使在150℃下烘烤其隔膜本身形態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，因此電池內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)短路情況從而使得電池內(nèi)阻仍在增加。PE隔膜在高溫環(huán)境下會(huì)喪失機(jī)械穩(wěn)定性能，從而導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生正負(fù)極直接接觸導(dǎo)致短路，而陶瓷涂層隔膜由于具有耐高溫性能從而有效防止電池內(nèi)部發(fā)生短路，提高電池的安全性能。

4.陶瓷隔膜對(duì)電池壽命的影響

鋰離子電池隔膜不僅隔離電池內(nèi)部正負(fù)極極片，而且需具備良好的離子通透能力，由于對(duì)隔膜進(jìn)行涂覆無(wú)機(jī)涂層后會(huì)增加隔膜的厚度，從而有可能影響到離子的傳導(dǎo)性能，但實(shí)驗(yàn)證明（圖7）其影響較弱，反而是涂有陶瓷涂層的隔膜循環(huán)性能更好。

PP/PE隔膜都是非極性的，表面疏水且表面能較低，對(duì)極性的碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有機(jī)電解液較難潤(rùn)濕和保持，這直接影響了電池的循環(huán)性能和使用壽命，而無(wú)機(jī)陶瓷表面由于羥基的存在，表面親水，它的引入能夠極大地提高隔膜或電極對(duì)電解液的潤(rùn)濕和保持能力，大大提高電池的循環(huán)性能。同時(shí)，納米氧化鋁顆粒具有較大比表面積，可以提高電解液對(duì)極片的潤(rùn)濕性和保液性，也有利于電池的循環(huán)壽命。

總結(jié)：

綜上，陶瓷涂層對(duì)于鋰離子電池性能有重要的影響，尤其是對(duì)鋰電池安全性能具有重要的意義。電極和隔膜表面的陶瓷化，不僅能顯著地降低電池的內(nèi)短路率、提高安全性，還能改善極片和隔膜的電解液浸潤(rùn)性，降低極化，提高電池的循環(huán)等綜合性能。因此，陶瓷涂層的應(yīng)用是今后鋰離子電池發(fā)展的必然趨勢(shì)。