高纯氧化铝的制备及其在锂电池中的应用

氧化铝，白色无定形粉末，一种不溶于水的两性氧化物。高纯氧化铝（纯度≥99.995%）具有熔点高、硬度高、催化性能优异、热稳定性好、耐腐蚀性好、光电性能优异等优势，被广泛应用于半导体材料、耐火防火领域、陶瓷领域和LED领域。 高纯氧化铝（来源：扬州中天利） 近年来，随着人们对锂离子电池安全性要求越来越高，高纯氧化铝由于其优异特性，开始广泛应用于阻燃隔膜、包覆型正极材料和固态电解质材料中，发挥着重要作用。 高纯氧化铝制备方法 20世纪80年代由德国研究人员首次制得了高纯氧化铝，随后各国对其制备工艺展开了深入研究，近年来我国高纯氧化铝制备工艺飞速发展，逐渐代替了进口，同时也研发出多种新型制备工艺。 改良拜耳法：在传统的拜耳法制备氧化铝的基础上，将得到的铝酸钠先脱硅再除铁，产物通过水解得到高纯度氢氧化铝，高温煅烧后对粉体研磨，得到符合客户要求的各种高纯度氧化铝。 醇铝水解法：铝金属与醇类有机物发生化学反应，在催化剂的作用下生成有机醇盐和氢气。经过蒸馏后，在溶剂中通过水解反应制得高纯氢氧化铝。再在高温环境下灼烧，得到纯度99.9%以上的氧化铝。有机醇的纯度越高，工艺过程导入的杂质越少，都可以降低后段工序的除杂难度。 硫酸铝铵热解法：先将硫酸和氢氧化铝进行中和反应制备出硫酸铝溶液，然后在严格控制溶液pH值和反应温度的条件下，加入硫酸铵充分反应制得硫酸铝铵，经多次重结晶精制以除去杂质后，制备出硫酸铝铵晶体，最后将硫酸铝铵晶体进行高温煅烧即可生成高纯氧化铝产品。 碳酸铝铵热解法：将碳酸氢铵与精制硫酸铝铵按一定比例进行合成反应，生成碱式碳酸铝铵，然后将高纯碱式碳酸铝铵高温煅烧生成高纯氧化铝产品。 高纯铝活化水解法：利用催化剂，对活性铝粉箔（粉）和水进行溶解反应形成氢氧化铝，然后进行1450℃高温煅烧，获得高纯氧化铝。 氯化铝气相合成法：将氯化铝在催化剂的作用下，气相合成AlOxCly(OH)z，然后经过1400℃烧结后得到高纯氧化铝。 高纯氧化铝生产工艺对比（来源：昝超等，《直接水解法生产高纯氧化铝工艺研究》） 高纯氧化铝在锂电池中的应用 锂电池主要由正极、负极、隔膜、电解质溶液等组成。 正极材料：利用高纯氧化铝对电极材料的表面进行包覆处理，可以减少电极材料与电解液中酸性物质的接触，降低电极材料的酸腐蚀，对于提高正极材料结构稳定性大有帮助。例如，锰酸锂材料中添加高纯氧化铝，可以提高结构稳定性，改善电极的容量衰减问题；高镍材料中添加高纯氧化铝可以降低材料的表面活性，提高材料的热稳定性；镍锰酸锂材料中添加高纯氧化铝，可以提升材料的放电倍率性能。 负极材料：将高纯氧化铝涂层均匀涂覆在石墨负极表面，可以提高负极界面的稳定性，减少了活性锂的损失，提高锂离子电池的荷电保持能力和循环性能。 氧化铝涂覆的石墨负极（来源：刘国刚等，《锂电池高纯氧化铝的制备及应用研究进展》） 电池隔膜：目前，锂电池隔膜基体主要是聚乙烯和聚丙烯，聚烯烃的熔点相对较低，电池在大功率充放电时会局部放热，可能出现热失控，进而引发电池爆炸。采用高纯氧化铝均匀涂覆工艺，制备复合陶瓷涂层锂电池隔膜，可以起到调节隔膜孔隙的作用，大大提高锂电池的安全性能，从而为大功率锂电池高能量密度且安全可靠充放电提供了可能。此外，隔膜的机械强度也得到明显提升。 固态电解质：高纯氧化铝添加于聚合物固态电解质，比如聚环氧乙烷（PEO）固态电解质中，可以提高聚合物的导电性和稳定性，降低聚合物结晶度，提高链运动能力；添加于氧化物固态电解质，比如石榴石型Li7La3Zr2O12（LLZO）固体电解质中，可以提高电解质的电导率与容量保持率。 参考资料： 1、张玮琦等，《高纯氧化铝制备技术进展》 2、刘国刚等，《锂电池高纯氧化铝的制备及应用研究进展》 3、昝超等，《直接水解法生产高纯氧化铝工艺研究》 4、麦鍠旺，《锂镧锆氧固态电解质掺杂改性及其界面构造》 （中国粉体网编辑整理/长安） 注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！