氧化鋁，它們吃了有“大補”

氧化鋁的最大用途是冶煉金屬鋁，是鋁工業(yè)的原材料，同時它作為先進陶瓷、磨料、催化劑載體方面的“主角”在新能源、航空航天、環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分關(guān)鍵的作用。

圖片來源：重慶任丙科技

此外，氧化鋁還常常作為外添加材料猶如“營養(yǎng)品”來提高其他材料的性能，可謂是一種有“大補”的神奇材料。今天我們來看一下氧化鋁作為添加材料時的神奇效果。

讓鋰電池更強更安全

在嚴(yán)峻的能源危機及全球變暖的背景下，鋰離子電池被視為一根解決儲能和環(huán)境問題的救命稻草。目前鋰離子電池已經(jīng)在便攜式設(shè)備、智能穿戴設(shè)備和電動汽車（EV、HEV）等眾多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

鋰離子電池是由正極、負(fù)極、隔膜、電解液構(gòu)成的，為了提高鋰電池容量、充放電、安全等性能，人們試圖最大限度地優(yōu)化其各個環(huán)節(jié)。氧化鋁材料由于其耐高溫、耐腐蝕和絕緣的特性，被廣泛應(yīng)用于鋰電正負(fù)極、隔膜、電解液、固態(tài)電解質(zhì)中，并起到很好的效果。

正極

在鋰離子電池正極材料中，Al2O3表面涂覆可以有效地提高正極材料的容量保持率、長循環(huán)性以及熱穩(wěn)定性。Al2O3表面涂層對正極材料性能的積極影響可能包括：作為一種氟化氫清除劑，清除電解質(zhì)溶液的中的HF，抑制正極材料中過渡金屬的溶解；在正極材料表面形成一層物理保護屏障，抑制正極材料和非水電解質(zhì)之間發(fā)生不必要的副反應(yīng)；在正極材料表面形成鋰化氧化鋁，提高鋰離子擴散速率，降低電荷轉(zhuǎn)移電阻；減少放熱反應(yīng)，提升正極材料的熱穩(wěn)定性能；Al2O3與LiPF6反應(yīng)生成電解質(zhì)添加劑LiPO2F2，提升電池的循環(huán)性能和壽命；抑制Jahn-Teller效應(yīng)，提升電極的循環(huán)穩(wěn)定性。

隔膜

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，將隔膜表面單面或者雙面進行涂覆可以顯著提高高溫穩(wěn)定性，緩解隔膜熱收縮造成的電池正負(fù)極接觸、燃燒、爆炸的安全問題，且隔膜的穩(wěn)定性和壽命都有顯著改善。采用高純氧化鋁均勻涂覆工藝，制備復(fù)合陶瓷涂層鋰電池隔膜，可以起到調(diào)節(jié)隔膜孔隙的作用，大大提高鋰電池的安全性能，從而為大功率鋰電池高能量密度且安全可靠充放電提供了可能。此外，隔膜的機械強度也得到明顯提升。

圖片來源：恩捷新材料

負(fù)極

氧化鋁不僅可以涂覆在隔膜上，還可以在負(fù)極表面涂覆。侯敏等、張沿江等研究發(fā)現(xiàn)涂覆氧化鋁涂層提高了負(fù)極界面的穩(wěn)定性，減少了活性鋰的損失，提高鋰離子電池的荷電保持能力和循環(huán)性能。在針刺測試過程中，負(fù)極表面涂層能夠降低正負(fù)極短路的嚴(yán)重程度。陶瓷涂層電池在針刺時的峰值溫度為123.1℃，電池略微鼓脹，沒有發(fā)生爆炸；而非陶瓷涂層電池在針刺時的峰值溫度為410℃，并伴隨冒煙和爆炸。

圖片來源：廣州匯富研究院

電解液

鋰離子電池的性能很大程度上受電解液性質(zhì)的影響，不同體系電解液應(yīng)用于不同功能的鋰離子電池中。在電解液中添加一定量的非儲能物質(zhì)，可以提高電解液的導(dǎo)電性能、電池的充放電性能、放電效率、使用壽命以及安全性能。有研究發(fā)現(xiàn)，在電解液中添加一定量的氧化鋁粉體可以有效提高電解液的電導(dǎo)率，減小電荷傳遞電阻，提高鋰離子電池的電化學(xué)性能。

固態(tài)電解質(zhì)

在石榴石型Li7La3Zr2O12(LLZO)固體電解質(zhì)方面，組裝含有5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)Al2O3固體電解質(zhì)的全電池，循環(huán)200次后的容量保持率由未含Al2O3的82.3%提升到91.4%。聚合物電解質(zhì)中的高比表面Al2O3納米顆粒可以吸收殘留雜質(zhì)和電解質(zhì)的分解產(chǎn)物，從而提高電極界面穩(wěn)定性和鋰離子遷移可逆性。

氧化鋁增強陶瓷材料，實現(xiàn)強韌結(jié)合

氧化鋁本身就是一種性能優(yōu)異的陶瓷材料，而將氧化鋁作為輔料加入其他陶瓷材料往往也可以使材料的性能得到極大的提高。

代表性的如將氧化鋁摻入氧化鋯中制備出氧化鋁增強氧化鋯陶瓷（ATZ陶瓷）。

純氧化鋯會產(chǎn)生四方相至單斜相的轉(zhuǎn)變，這種具有變溫、無擴散、切變的馬氏體相變使得四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕嗟倪^程中伴隨3~5%的體積膨脹和7~8%的剪切應(yīng)變，這種體積變化和切變通過改變基體中的應(yīng)力分布，由此對裂紋的產(chǎn)生和擴展有抑制作用，從而具有增韌效果。然而也因相變會產(chǎn)生體積膨脹這一特點，使得燒成的陶瓷制品在從高溫冷卻至室溫的過程中產(chǎn)生開裂，使得純ZrO2很難被制成構(gòu)件使用，因此需要添加氧化釔和氧化鈣等穩(wěn)定劑，能將高溫的介穩(wěn)四方相穩(wěn)定至室溫，而后才能被得到廣泛的應(yīng)用。

氧化鋯三種晶體結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)變

然而，通過調(diào)節(jié)穩(wěn)定劑含量起到的相變增韌作用十分有限，科學(xué)家提出通過加入第二相物質(zhì)來提高陶瓷材料的強度和韌性的方法成為了主流。

Al2O3具有高硬度、高彈性模量等優(yōu)良特性，與ZrO2之間也具有良好的化學(xué)和物理相容性，因此在ZrO2陶瓷基體中加入Al2O3，相互之間可取長補短，得到的Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷就結(jié)合了氧化鋯和氧化鋁的優(yōu)點，具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高強度、高韌性的特點，另外還提升了氧化鋯陶瓷的抗老化性能，得到許多研究者的關(guān)注，成為陶瓷材料領(lǐng)域研究的熱點之一。

法國Nanoe的ATZ陶瓷產(chǎn)品：定位銷

不止氧化鋯陶瓷，氧化鋁作為第二相添加材料對碳化硅等其他材料的性能也有很大的提高，即使在同類材料方面，常規(guī)Al2O3陶瓷中添加5%的納米級Al2O3粉體，也可改善韌性，降低燒結(jié)溫度。

讓聚合物的散熱性能脫胎換骨

在新能源汽車以及儲能領(lǐng)域，隨著電池的能量密度越來越高，對散熱的要求也越來越高，高溫會對電池的性能和可靠性帶來不利影響，甚至?xí)l(fā)安全性問題。在消費電子和 5G 網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，隨著電子產(chǎn)品性能越來越強大，內(nèi)部元器件集成度和組裝密度的提高將導(dǎo)致其工作功耗和發(fā)熱量不斷增大，電子產(chǎn)品發(fā)熱散熱問題日益突出，高溫會對電子產(chǎn)品的性能與可靠性產(chǎn)生不利影響，甚至引發(fā)熱失效問題，從而引起整個電子產(chǎn)品的故障。

目前，普遍使用具有高導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱材料作為熱界面材料和封裝材料來及時將熱量導(dǎo)出，從而保障電子元器件的正常運行。聚合物基材料由于其密度低、耐腐蝕、成本低、成型加工簡便，在熱界面材料和封裝材料中用量最大、發(fā)展最快。但是聚合物材料最大的缺點就是導(dǎo)熱性能很差，聚合物本身是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱率都很低，一般都在 0.1-0.5W/（m·K）之間，如此低的熱導(dǎo)率完全不符合要求。于是，人們想到將高導(dǎo)熱填料加入聚合物基體中，以提高聚合物的導(dǎo)熱率。

其中，氧化鋁具有較低的成本及較高電阻率而經(jīng)常被選為填料加入到聚合物基體中，可大幅提高材料的導(dǎo)熱性能，是當(dāng)前最常用的一類無機導(dǎo)熱填料。

小結(jié)

氧化鋁作為一種多功能的“補強”材料，在鋰電池、先進陶瓷和高分子復(fù)合材料中發(fā)揮著不可替代的作用。其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，為多個領(lǐng)域的技術(shù)突破提供了關(guān)鍵支撐。未來，隨著材料科學(xué)的深入發(fā)展，氧化鋁的應(yīng)用前景將更加廣闊，持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級。

參考來源：

[1]黃雪娟.

復(fù)合陶瓷的顯微結(jié)構(gòu) 及力學(xué)性能研究

[2]中國粉體網(wǎng)

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