Óxido de aluminio El (Al₂O₃) es uno de los materiales inorgánicos más comunes y ampliamente utilizados. Es la principal materia prima para la producción de aluminio. Asimismo, desempeña un papel importante en cerámicas avanzadas, abrasivos y soportes para catalizadores. Con propiedades como resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, dureza y aislamiento, el óxido de aluminio se aplica en los sectores de las nuevas energías, la industria aeroespacial, la protección ambiental y la medicina. Como aditivo, actúa como un "nutriente", mejorando el rendimiento de otros materiales. Se considera un material de refuerzo multifuncional. Este artículo presenta sus aplicaciones en baterías, cerámicas y polímeros.
Mejorando Batería de iones de litio Rendimiento y seguridad
Las baterías de iones de litio son vitales para el almacenamiento de energía y los vehículos eléctricos. Su rendimiento depende del cátodo, el ánodo, el separador y el electrolito. La alúmina, con excelente estabilidad y aislamiento, se utiliza en todos estos componentes.
Materiales del cátodo
Un óxido de aluminio fino revestimiento En los materiales del cátodo se mejora la retención de capacidad, la vida útil del ciclo y la estabilidad térmica.
Sus efectos incluyen:
- Eliminación de HF del electrolito, reduciendo la disolución del metal.
- Creando una barrera protectora, limitando reacciones secundarias.
- Formación de aluminato de litio para mejorar la difusión de iones y reducir la resistencia a la transferencia de carga.
- Reduciendo la generación de calor, mejorando la estabilidad térmica.
- Reacciona con LiPF₆ para formar LiPO₂F₂, lo que mejora la vida útil del ciclo.
- Supresión de los efectos Jahn-Teller para estabilizar los electrodos.
Materiales separadores
Los separadores recubiertos de alúmina resisten la contracción a altas temperaturas. Esto previene cortocircuitos y fugas térmicas. La capa cerámica también refuerza mecánicamente el separador. Ajusta la porosidad, mejora el transporte de iones y mejora considerablemente la seguridad.
Materiales del ánodo
El recubrimiento del ánodo con óxido de aluminio mejora la estabilidad interfacial y reduce la pérdida de litio. En pruebas de penetración con aguja, las celdas con recubrimiento cerámico mostraron temperaturas pico más bajas y no se observó explosión. Por el contrario, las celdas sin recubrimiento alcanzaron temperaturas superiores a 400 °C, con humo y explosión.
Electrolito y electrolito sólido
Añadir polvo de alúmina al electrolito líquido aumenta la conductividad y reduce la resistencia. Mejora el rendimiento de carga y descarga, así como la vida útil. En electrolitos sólidos, la alúmina mejora la estabilidad interfacial y la reversibilidad de los iones de litio. Por ejemplo, añadir alúmina 5% al LLZO aumentó la retención de capacidad de 82,3% a 91,4% después de 200 ciclos.
Materiales cerámicos de refuerzo
La alúmina es una cerámica de alto rendimiento con dureza, resistencia al desgaste y alto módulo. Y lo que es más importante, refuerza otras cerámicas.
Zirconia endurecida con alúmina (ATZ)
La zirconia pura sufre una transformación martensítica, lo que mejora su tenacidad, pero provoca grietas durante el enfriamiento. Los estabilizadores como la itria pueden ser útiles, pero sus efectos son limitados. Añadir alúmina como segunda fase soluciona este problema.
- La alúmina es compatible con el zirconio.
- Aumenta la fuerza, la dureza y las propiedades antienvejecimiento.
- El compuesto resiste el calor, la corrosión y el desgaste.
Como resultado, las cerámicas ATZ se estudian ampliamente para aplicaciones estructurales.
Otros sistemas cerámicos
La alúmina también mejora el carburo de silicio y otras cerámicas. Incluso en las propias cerámicas de alúmina, la adición de pequeñas cantidades de nano-Al₂O₃ reduce la temperatura de sinterización y mejora la tenacidad.
Mejora de los compuestos poliméricos para la disipación del calor
En vehículos eléctricos, almacenamiento de energía y electrónica 5G, la gestión del calor es crucial. Una alta densidad de potencia conlleva temperaturas más altas. El sobrecalentamiento reduce el rendimiento y la seguridad.
Los polímeros son ligeros, económicos y fáciles de procesar. Se utilizan ampliamente en interfaces térmicas y materiales de embalaje. Sin embargo, son malos conductores del calor. Su conductividad térmica suele ser de tan solo 0,1–0,5 W/(m·K).
Para solucionar esto, se introducen rellenos de alta conductividad térmica. El óxido de aluminio es el relleno más común. Es económico, aislante eléctrico y químicamente estable. La adición de partículas de alúmina aumenta significativamente la conductividad térmica del polímero. Esto hace que los compuestos sean adecuados para baterías, estaciones base 5G y dispositivos electrónicos.
Conclusión
El óxido de aluminio es un material de refuerzo multifuncional. En las baterías de iones de litio, mejora la estabilidad, la vida útil y la seguridad. En la cerámica, aumenta la tenacidad y la durabilidad. En los polímeros, aumenta la conductividad térmica. Con estas ventajas, la alúmina posee un valor insustituible en la energía, la electrónica y los materiales avanzados. Sus aplicaciones seguirán expandiéndose, impulsando la innovación y las mejoras industriales.