Aluminiumoxid (Al₂O₃) ist eines der am häufigsten verwendeten anorganischen Materialien. Es ist der Hauptrohstoff für die Aluminiumproduktion. Gleichzeitig spielt es eine wichtige Rolle in Hochleistungskeramik, Schleifmitteln und Katalysatorträgern. Dank seiner Eigenschaften wie hoher Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Härte und Isolierung wird Aluminiumoxid in den Bereichen erneuerbare Energien, Luft- und Raumfahrt, Umweltschutz und Medizin eingesetzt. Als Zusatzstoff wirkt es wie ein „Nährstoff“ und verbessert die Leistung anderer Materialien. Es gilt als multifunktionales Verstärkungsmaterial. Dieser Artikel stellt seine Anwendungen in Batterien, Keramik und Polymeren vor.
Verbesserung Lithium-Ionen-Akku Leistung und Sicherheit
Lithium-Ionen-Batterien sind für die Energiespeicherung und Elektrofahrzeuge unverzichtbar. Ihre Leistung hängt von Kathode, Anode, Separator und Elektrolyt ab. In all diesen Teilen wird Aluminiumoxid mit hervorragender Stabilität und Isolierung verwendet.
Kathodenmaterialien
Eine dünne Aluminiumoxidschicht Beschichtung auf Kathodenmaterialien verbessert die Kapazitätserhaltung, die Zyklenlebensdauer und die thermische Stabilität.
Zu seinen Auswirkungen gehören:
- Entfernen von HF aus dem Elektrolyten, wodurch die Metallauflösung verringert wird.
- Schafft eine Schutzbarriere und begrenzt Nebenreaktionen.
- Bildung von Lithiumaluminat zur Verbesserung der Ionendiffusion und Verringerung des Ladungsübertragungswiderstands.
- Reduzierung der Wärmeentwicklung, Verbesserung der thermischen Stabilität.
- Reagiert mit LiPF₆ zu LiPO₂F₂, was die Zyklenlebensdauer verlängert.
- Unterdrückung des Jahn-Teller-Effekts zur Stabilisierung der Elektroden.
Separatormaterialien
Aluminiumoxidbeschichtete Separatoren sind schrumpfbeständig bei hohen Temperaturen. Dies verhindert Kurzschlüsse und thermisches Durchgehen. Die Keramikschicht verstärkt den Separator zudem mechanisch. Sie reguliert die Porosität, verbessert den Ionentransport und erhöht die Sicherheit deutlich.
Anodenmaterialien
Die Beschichtung der Anode mit Aluminiumoxid verbessert die Grenzflächenstabilität und reduziert den Lithiumverlust. In Nadelpenetrationstests zeigten keramikbeschichtete Zellen niedrigere Spitzentemperaturen und keine Explosion. Im Gegensatz dazu erreichten unbeschichtete Zellen über 400 °C mit Rauch und Explosion.
Elektrolyt und Festelektrolyt
Die Zugabe von Aluminiumoxidpulver zu flüssigem Elektrolyt erhöht die Leitfähigkeit und verringert den Widerstand. Es verbessert die Lade-/Entladeleistung und die Zyklenlebensdauer. In Festelektrolyten verbessert Aluminiumoxid die Grenzflächenstabilität und die Lithium-Ionen-Reversibilität. Beispielsweise erhöhte die Zugabe von 5%-Aluminiumoxid zu LLZO die Kapazitätserhaltung nach 200 Zyklen von 82,3% auf 91,4%.
Verstärkende keramische Werkstoffe
Aluminiumoxid selbst ist eine Hochleistungskeramik mit Härte, Verschleißfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul. Noch wichtiger ist, dass es andere Keramiken verstärkt.
Aluminiumoxid-gehärtetes Zirkonoxid (ATZ)
Reines Zirkonoxid unterliegt einer martensitischen Umwandlung, die die Zähigkeit verbessert, aber beim Abkühlen Risse verursacht. Stabilisatoren wie Yttriumoxid können helfen, ihre Wirkung ist jedoch begrenzt. Die Zugabe von Aluminiumoxid als zweite Phase löst dieses Problem.
- Aluminiumoxid ist mit Zirkonoxid kompatibel.
- Es erhöht die Festigkeit, Zähigkeit und hat Anti-Aging-Eigenschaften.
- Der Verbundwerkstoff ist hitze-, korrosions- und verschleißbeständig.
Aus diesem Grund wird ATZ-Keramik umfassend für strukturelle Anwendungen untersucht.
Andere Keramiksysteme
Aluminiumoxid verbessert auch Siliziumkarbid und andere Keramiken. Selbst in Aluminiumoxidkeramiken selbst senkt die Zugabe kleiner Mengen Nano-Al₂O₃ die Sintertemperatur und verbessert die Zähigkeit.
Verbesserung der Wärmeableitung durch Polymerverbundwerkstoffe
Bei Elektrofahrzeugen, Energiespeichern und 5G-Elektronik ist das Wärmemanagement entscheidend. Eine hohe Leistungsdichte führt zu höheren Temperaturen. Überhitzung verringert Leistung und Sicherheit.
Polymere sind leicht, kostengünstig und einfach zu verarbeiten. Sie werden häufig in Wärmeleit- und Verpackungsmaterialien eingesetzt. Allerdings sind Polymere schlechte Wärmeleiter. Ihre Wärmeleitfähigkeit beträgt in der Regel nur 0,1–0,5 W/(m·K).
Um dieses Problem zu lösen, werden Füllstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt. Aluminiumoxid ist der am häufigsten verwendete Füllstoff. Es ist kostengünstig, elektrisch isolierend und chemisch stabil. Durch die Zugabe von Aluminiumoxidpartikeln wird die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren deutlich erhöht. Dadurch eignen sich Verbundwerkstoffe für Batteriepacks, 5G-Basisstationen und elektronische Geräte.
Abschluss
Aluminiumoxid ist ein multifunktionales Verstärkungsmaterial. In Lithium-Ionen-Batterien verbessert es Stabilität, Lebensdauer und Sicherheit. In Keramiken erhöht es die Zähigkeit und Haltbarkeit. In Polymeren steigert es die Wärmeleitfähigkeit. Dank dieser Vorteile ist Aluminiumoxid in den Bereichen Energie, Elektronik und moderne Werkstoffe von unschätzbarem Wert. Seine Anwendungsmöglichkeiten werden weiter zunehmen und Innovationen und industrielle Weiterentwicklungen vorantreiben.