Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung fortschrittlicher Technologien haben sich hochentwickelte Keramikpulver und -produkte in bestimmten Hightech-Bereichen zu Schlüsselmaterialien und Engpassmaterialien entwickelt. Lithiumbatterieindustrie, Einige keramische Werkstoffe spielen eine entscheidende Rolle in der Produktionskette. Sie können direkt als Elektroden oder Separatoren dienen, als Verpackungsmaterialien eingesetzt werden oder als Hilfsstoffe im Produktionsprozess fungieren. Der Markt für keramische Werkstoffe boomt aufgrund der Nachfrage aus dem Lithium-Batterie-Sektor. Schauen wir uns heute genauer an, welche dieser Werkstoffe es gibt. keramische Werkstoffe werden zur Herstellung einer Lithiumbatterie benötigt.
Lithium-Ionen-Batterien bestehen im Wesentlichen aus fünf Komponenten: Kathodenmaterial, Anodenmaterial, Separator, Elektrolyt und Verpackungsmaterial. Der Separator stellt dabei die größte technische Herausforderung dar. Batteriematerial, Mit Kosten zwischen 101 TP3T und 141 TP3T sind die Separatorkosten nach dem Kathodenmaterial die zweithöchsten. Bei High-End-Batterien können die Separatorkosten sogar bis zu 201 TP3T betragen.
Nachteile herkömmlicher Separatoren
Die kommerziell erhältlichen Separatoren für Lithium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus mikroporösen Membranen aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP). Diese Polyolefin-Separatoren weisen jedoch einige Nachteile auf. Zum einen kann der Separator schrumpfen oder schmelzen, wenn die Außentemperaturen seinen Schmelzpunkt erreichen oder überschreiten. Dies kann zu einem internen thermischen Durchgehen oder Kurzschluss in der Batterie führen. Daher ist die Beibehaltung von Größe und Form des Separators entscheidend für die Batteriesicherheit. Zum anderen ist die Benetzung des Separators mit dem Elektrolyten aufgrund der unterschiedlichen Polarität von Polyolefin-Separatoren unzureichend. Dies bedeutet, dass die Fähigkeit des Separators, den nicht-wässrigen Elektrolyten während wiederholter Lade-Entlade-Zyklen zu halten, gering ist, was die Zyklenstabilität der Batterie beeinträchtigt.
Vorteile von Keramikseparatoren und repräsentative Werkstoffe
Keramische Separatoren lassen sich derzeit anhand ihrer Herstellungsverfahren in zwei Kategorien einteilen. Bei einem Verfahren werden herkömmliche Polyolefin-Separatoren oder Vliesstoffe als Basismembran verwendet. Eine Schicht aus Keramik Beschichtung Die Beschichtung erfolgt dann mittels Verfahren wie Kleben, Heißpressen oder Pfropfen. Bei einem anderen Verfahren werden nanoskalige Keramikpartikel in organische Materialien eingemischt, um eine Suspension herzustellen. Diese Suspension wird dann zu Folien versponnen oder zu Vliesstoffen verarbeitet.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Tablets und Elektrofahrzeugen genügen herkömmliche Polyolefin-Separatoren nicht mehr den Anforderungen an hohe Spannung und hohe Energiedichte. Grund dafür ist ihre unzureichende Beständigkeit gegenüber hohem Druck und hohen Temperaturen. Durch den Einsatz von Separatorbeschichtungen, insbesondere Keramikbeschichtungen, lässt sich die Ausdehnung von thermischen Durchgangsstellen in der Batterie verhindern. Dies erhöht die Sicherheit. Die einzigartige Struktur anorganischer Materialien verbessert zudem die Beständigkeit des Separators gegen thermische Schrumpfung. Darüber hinaus weisen Keramikbeschichtungen hydrophile Eigenschaften auf. Diese verbessern die Elektrolytaufnahme und somit die Gleichmäßigkeit der Stromverteilung in der Batterie während der Lade- und Entladezyklen.
Die am häufigsten untersuchten keramischen Separatormaterialien sind hochreines Aluminiumoxid (Al2O3) und Böhmit (AlOOH).
Hochreines Aluminiumoxid (Al2O3)
Aluminiumoxid ist eine hochharte Verbindung mit einem Schmelzpunkt von 2054 °C und einem Siedepunkt von 2980 °C. Es handelt sich um ein ionisch gebundenes Kristallgitter mit hoher thermischer Stabilität. chemisch Aufgrund seiner Inertheit eignet es sich hervorragend für Keramikbeschichtungen auf Batterieseparatoren. Zu den Vorteilen von hochreinem Aluminiumoxid gehören:
- Lange LebensdauerEs reduziert mechanische Mikrokurzschlüsse während des Lade-Entlade-Zyklus und verlängert so effektiv die Lebensdauer.
- Hohe LeistungsfähigkeitHochreines Nano-Aluminiumoxid kann in Lithiumbatterien feste Lösungen bilden, wodurch die Leistungsfähigkeit und die Zyklenstabilität verbessert werden.
- Ausgezeichnete WärmeleitfähigkeitHochreines Nano-Aluminiumoxid besitzt eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, die beim Anstieg der Batterietemperatur zur Wärmeabfuhr beiträgt und somit das Problem der mangelhaften Wärmeleitfähigkeit von PP/PE-Materialien löst.
- Gute BenetzbarkeitNano-Aluminiumoxidpulver besitzt eine gute Elektrolytabsorptions- und -speicherkapazität.
- Ausgezeichnete FlammschutzwirkungAluminiumoxid ist ein hervorragendes flammhemmendes Material. Selbst bei hohen Temperaturen können seine überlegenen flammhemmenden Eigenschaften eine großflächige Verbrennung oder gar Explosionen verhindern.
- Aktuelle BlockierungBei zu hohem Stromfluss kann hochreines Aluminiumoxid den Stromfluss unterbrechen und so Kurzschlüsse verhindern, die durch übermäßige Hitze und das damit verbundene Schmelzen des Separators entstehen könnten.
Böhmit (AlOOH)
Reines Böhmit ist weiß, besitzt eine monokline Kristallstruktur und gehört zum orthorhombischen Kristallsystem. Es hat eine Mohshärte von 3–3,5 und eine Dichte von 3,0–3,07 g/cm³. Böhmit ist die Vorstufe von γ-Al₂O₃ und findet in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, beispielsweise in Keramikwerkstoffen, Verbundwerkstoffen, Oberflächenbeschichtungen, optischen Materialien, Katalysatoren und Halbleitermaterialien.
Im Vergleich zu Aluminiumoxid weist Böhmit folgende Vorteile auf:
- Geringere HärteBöhmit hat eine geringere Härte, was den mechanischen Verschleiß bei Schneid- und Beschichtungsprozessen verringert und es somit kostengünstiger macht als hochreines Aluminiumoxid.
- Hohe HitzebeständigkeitBöhmit besitzt eine ausgezeichnete thermische Stabilität und eine gute Kompatibilität mit organischen Materialien.
- Geringere DichteBei gleichem Gewicht kann Böhmit 251 TP3 T mehr Fläche bedecken als Aluminiumoxid.
- Bessere BeschichtungsgleichmäßigkeitBöhmit-Beschichtungen sind gleichmäßiger, was zu einem geringeren Innenwiderstand führt.
- Geringerer EnergieverbrauchDie Herstellung von Böhmit ist energieeffizienter und umweltfreundlicher.
- Geringere WasseraufnahmeBöhmit absorbiert nur halb so viel Wasser wie hochreines Aluminiumoxid.
- Vereinfachte ProduktionDie Herstellung von Böhmit ist einfacher als die von hochreinem Aluminiumoxid, die Kalzinierung, Mahlen und Sieben erfordert.
- Leichter zu ersetzenDer Wechsel zu Böhmit erfordert keine wesentlichen Änderungen an den Anlagen oder Prozessen der Separatorhersteller und verursacht weniger Schäden an den Anlagen.
Kathodenzusatz – Zirkoniumoxid (ZrO2)
Die Anwendung von Zirkoniumoxid-Nanoprodukten (ZrO₂) im Bereich der neuen Energien nimmt zu. Immer mehr Lithiumbatterien verwenden Zirkoniumoxidpulver als Kathodenzusatz, um die Batterieleistung zu stabilisieren und die Zyklenlebensdauer zu verlängern. Am Beispiel von Nickel-Kobalt-Mangan-Lithium (LiNi₀,₈Co₀,₁Mn₀,₁O₂) soll untersucht werden, wie sich Zirkoniumoxid-Nanopartikel auf die Leistung von Kathodenmaterialien auswirken.
Strukturelle Effekte
Die Röntgenbeugungsanalyse (XRD) von mit ZrO2 dotiertem LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 zeigt, dass die Zugabe von ZrO2 die Gesamtstruktur des Materials nicht verändert, welches die für das Material typische hexagonale α-NaFeO2-artige Schichtstruktur beibehält.
Morphologische Effekte
Mit steigendem ZrO₂-Dotierungsgrad verringert sich die Größe der Primärpartikel von ursprünglich 200–400 nm großen, regelmäßigen Blockpartikeln zu 100–200 nm großen, dichten Aggregaten. Die durch Agglomeration der Primärpartikel entstehenden großen Partikel verkleinern sich auf 1–2 μm. Die sphärische Form der Partikel wird durch die Dotierung weniger ausgeprägt, was die Lithiumionendiffusion erleichtert.
Elektrochemische Effekte
Untersuchungen zeigen, dass mit ZrO₂ dotierte Materialien eine höhere Entladekapazität aufweisen als das ursprüngliche LiNi₀,₈Co₀,₁Mn₀,₁O₂. Dies ist wahrscheinlich auf die kleinere Partikelgröße, Dies verkürzt den Diffusionsweg der Lithiumionen und verbessert die elektrochemische Leistung. Darüber hinaus können Zr⁴⁺-Ionen an die Oberfläche wandern und feste Lösungen bilden, was dazu beiträgt, einen Strukturkollaps während der Lade-Entlade-Zyklen zu verhindern und das Material vor Kobaltauflösung zu schützen, wodurch die Zyklenstabilität verbessert wird.
Sintern von Kathodenmaterialien – Keramikofenausrüstung
Mit der steigenden Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge ist auch der Bedarf an Kathodenmaterialien sprunghaft angestiegen, was inländische Ofenhersteller dazu veranlasst hat, ihre Produktionsanlagen zu modernisieren. Materialien wie Siliziumkarbidkeramik und Cordierit-Mullit-Keramik verzeichnen einen deutlichen Nachfrageanstieg.
Druckplatten
Die üblicherweise verwendeten Schieberplatten bestehen aus Siliciumcarbid und Korund-Mullit, wobei Siliciumcarbidplatten vorwiegend für Niedertemperaturöfen eingesetzt werden. Ihre Oxidation bei Temperaturen über 1300 °C schränkt jedoch ihren Einsatz ein.
Schmelztiegel
Für das Sintern von Kathodenmaterialien werden unterschiedliche Tiegelmaterialien verwendet. Cordierit-Mullit-Tiegel finden aufgrund ihrer ausgezeichneten Temperaturwechselbeständigkeit und Kosteneffizienz breite Anwendung im Bereich der Lithiumbatterie-Kathodenmaterialien.
Rollen
Die in Rollenöfen, die häufig beim Sintern von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden, verwendeten Walzen müssen hohen Temperaturen standhalten und kriechfest sein. Zu den gängigen Werkstoffen für Keramikwalzen zählen Korund, Aluminosilikat, Quarzglas und Siliciumcarbid.
Andere Keramikmaterialien für Lithiumbatterien
Darüber hinaus werden bei der Herstellung und Montage von Lithiumbatterien weitere Keramikpulver und -produkte verwendet. So dient beispielsweise hochreines, ultrafeines Aluminiumoxid als Kathodenzusatz und wird zur Beschichtung und Dotierung eingesetzt. Siliziumkarbid-Mikropulver kann mit Graphit, Kohlenstoffnanoröhren oder Nanotitannitrid zu Anodenmaterialien kombiniert werden. Diese Kombination verbessert die Batteriekapazität und -lebensdauer. Elektronische Keramikringe sind beim Versiegelungsprozess von Lithiumbatterien unerlässlich. Diese Ringe werden auch als “neuartige Keramikverbinder für Antriebsbatterien” bezeichnet. Sie bilden eine dichte, leitfähige Verbindung zwischen dem Batteriedeckel und den Polen in Elektrofahrzeugen.
Abschluss
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung fortschrittlicher Technologien und Materialien ist es wahrscheinlich, dass in Zukunft vermehrt keramische Werkstoffe für Lithiumbatterien in Lithiumbatterien und im gesamten neuen Energiesektor Anwendung finden werden.
Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, mein Artikel war hilfreich. Hinterlassen Sie gerne einen Kommentar. Bei weiteren Fragen können Sie sich auch an den Online-Kundendienst von Zelda wenden.
— Gepostet von Emily Chen