Oxyde d'aluminium (Al₂O₃) est l'un des matériaux inorganiques les plus courants et les plus utilisés. Principale matière première pour la production d'aluminium, il joue également un rôle important dans les céramiques de pointe, les abrasifs et les supports de catalyseurs. Grâce à ses propriétés de résistance aux hautes températures, de résistance à la corrosion, de dureté et d'isolation, l'oxyde d'aluminium est utilisé dans les secteurs des nouvelles énergies, de l'aérospatiale, de la protection de l'environnement et de la médecine. En tant qu'additif, il agit comme un « nutriment », améliorant les performances d'autres matériaux. Il est considéré comme un matériau de renforcement multifonctionnel. Cet article présente ses applications dans les batteries, les céramiques et les polymères.
Amélioration Batterie lithium-ion Performance et sécurité
Les batteries lithium-ion sont essentielles au stockage d'énergie et aux véhicules électriques. Leurs performances dépendent de la cathode, de l'anode, du séparateur et de l'électrolyte. L'alumine, dotée d'une excellente stabilité et d'une excellente isolation, est utilisée dans tous ces composants.
Matériaux de cathode
Un mince oxyde d'aluminium revêtement sur les matériaux de cathode améliore la rétention de capacité, la durée de vie du cyclage et la stabilité thermique.
Ses effets comprennent :
- Élimination du HF de l'électrolyte, réduisant ainsi la dissolution du métal.
- Créer une barrière protectrice, limitant les réactions secondaires.
- Formation d'aluminate de lithium pour améliorer la diffusion des ions et réduire la résistance au transfert de charge.
- Réduction de la production de chaleur, amélioration de la stabilité thermique.
- Réagit avec LiPF₆ pour former LiPO₂F₂, ce qui améliore la durée de vie du cyclage.
- Suppression des effets Jahn-Teller pour stabiliser les électrodes.
Matériaux de séparation
Les séparateurs revêtus d'alumine résistent au retrait à haute température. Cela évite les courts-circuits et les emballements thermiques. La couche de céramique renforce également le séparateur mécaniquement. Elle ajuste la porosité, améliore le transport des ions et améliore considérablement la sécurité.
Matériaux d'anode
Le revêtement de l'anode avec de l'oxyde d'aluminium améliore la stabilité interfaciale et réduit les pertes de lithium. Lors des tests de pénétration à l'aiguille, les cellules revêtues de céramique ont montré des pics de température plus faibles et aucune explosion. En revanche, les cellules non revêtues ont atteint plus de 400 °C avec dégagement de fumée et explosion.
Électrolyte et électrolyte solide
L'ajout de poudre d'alumine à l'électrolyte liquide augmente la conductivité et réduit la résistance. Il améliore les performances de charge-décharge et la durée de vie. Dans les électrolytes solides, l'alumine améliore la stabilité interfaciale et la réversibilité lithium-ion. Par exemple, l'ajout d'alumine 5% à l'oxyde de lithium-ion (LLZO) a augmenté la rétention de capacité de 82,3% à 91,4% après 200 cycles.
Renforcement des matériaux céramiques
L'alumine est une céramique haute performance offrant dureté, résistance à l'usure et module élevé. Plus important encore, elle renforce d'autres céramiques.
Zircone renforcée à l'alumine (ATZ)
La zircone pure subit une transformation martensitique, améliorant sa ténacité, mais provoquant des fissures lors du refroidissement. Des stabilisants comme l'yttrium peuvent être utiles, mais leurs effets sont limités. L'ajout d'alumine comme deuxième phase résout ce problème.
- L'alumine est compatible avec la zircone.
- Il augmente la force, la ténacité et les propriétés anti-âge.
- Le composite résiste à la chaleur, à la corrosion et à l’usure.
En conséquence, les céramiques ATZ sont largement étudiées pour des applications structurelles.
Autres systèmes céramiques
L'alumine améliore également le carbure de silicium et d'autres céramiques. Même dans les céramiques d'alumine elles-mêmes, l'ajout de petites quantités de nano-Al₂O₃ réduit la température de frittage et améliore la ténacité.
Amélioration des composites polymères pour la dissipation de la chaleur
Dans les véhicules électriques, le stockage d'énergie et l'électronique 5G, la gestion de la chaleur est essentielle. Une densité de puissance élevée entraîne des températures plus élevées. La surchauffe réduit les performances et la sécurité.
Les polymères sont légers, peu coûteux et faciles à mettre en œuvre. Ils sont largement utilisés dans les interfaces thermiques et les matériaux d'emballage. Cependant, ils sont de mauvais conducteurs de chaleur. Leur conductivité thermique n'est généralement que de 0,1 à 0,5 W/(m·K).
Pour résoudre ce problème, des charges à haute conductivité thermique sont utilisées. L'oxyde d'aluminium est la charge la plus courante. Il est peu coûteux, électriquement isolant et chimiquement stable. L'ajout de particules d'alumine augmente considérablement la conductivité thermique des polymères. Cela rend les composites adaptés aux batteries, aux stations de base 5G et aux appareils électroniques.
Conclusion
L'oxyde d'aluminium est un matériau de renforcement multifonctionnel. Dans les batteries lithium-ion, il améliore la stabilité, la durée de vie et la sécurité. Dans les céramiques, il renforce la robustesse et la durabilité. Dans les polymères, il améliore la conductivité thermique. Grâce à ces avantages, l'alumine possède une valeur irremplaçable dans les domaines de l'énergie, de l'électronique et des matériaux avancés. Ses applications continueront de se développer, stimulant l'innovation et les modernisations industrielles.