ossido di alluminio (Al₂O₃) è uno dei materiali inorganici più comuni e ampiamente utilizzati. È la principale materia prima per la produzione di alluminio. Allo stesso tempo, svolge un ruolo importante nella produzione di ceramiche avanzate, abrasivi e supporti per catalizzatori. Grazie a proprietà come la resistenza alle alte temperature, la resistenza alla corrosione, la durezza e l'isolamento, l'ossido di alluminio viene utilizzato nei settori delle nuove energie, aerospaziale, della protezione ambientale e medico. Come additivo, agisce come un "nutriente", migliorando le prestazioni di altri materiali. È considerato un materiale di rinforzo multifunzionale. Questo articolo ne presenta le applicazioni in batterie, ceramiche e polimeri.
Migliorare Batteria agli ioni di litio Prestazioni e sicurezza
Le batterie agli ioni di litio sono essenziali per l'accumulo di energia e per i veicoli elettrici. Le loro prestazioni dipendono dal catodo, dall'anodo, dal separatore e dall'elettrolita. In tutti questi componenti viene utilizzata l'allumina, con eccellenti caratteristiche di stabilità e isolamento.
Materiali catodici
Un sottile ossido di alluminio rivestimento sui materiali catodici migliora la ritenzione della capacità, la durata del ciclo e la stabilità termica.
I suoi effetti includono:
- Rimozione dell'HF dall'elettrolita, riducendo la dissoluzione del metallo.
- Crea una barriera protettiva, limitando le reazioni collaterali.
- Formazione di alluminato di litio per migliorare la diffusione degli ioni e ridurre la resistenza al trasferimento di carica.
- Riduzione della generazione di calore, miglioramento della stabilità termica.
- Reagendo con LiPF₆ si forma LiPO₂F₂, che ne migliora la durata.
- Soppressione degli effetti Jahn-Teller per stabilizzare gli elettrodi.
Materiali separatori
I separatori rivestiti in allumina resistono al restringimento ad alte temperature. Questo previene cortocircuiti e runaway termici. Lo strato ceramico rinforza inoltre il separatore meccanicamente. Regola la porosità, migliora il trasporto ionico e aumenta notevolmente la sicurezza.
Materiali anodici
Il rivestimento dell'anodo con ossido di alluminio migliora la stabilità interfacciale e riduce la perdita di litio. Nei test di penetrazione dell'ago, le celle rivestite in ceramica hanno mostrato temperature di picco inferiori e nessuna esplosione. Al contrario, le celle non rivestite hanno raggiunto temperature superiori a 400 °C con fumo ed esplosione.
Elettrolita ed elettrolita solido
L'aggiunta di polvere di allumina all'elettrolita liquido aumenta la conduttività e riduce la resistenza. Migliora le prestazioni di carica-scarica e la durata del ciclo. Negli elettroliti solidi, l'allumina migliora la stabilità interfacciale e la reversibilità agli ioni di litio. Ad esempio, l'aggiunta di allumina 5% all'elettrolita LLZO ha aumentato la ritenzione di capacità da 82,3% a 91,4% dopo 200 cicli.
Materiali ceramici di rinforzo
L'allumina è una ceramica ad alte prestazioni, dotata di durezza, resistenza all'usura e modulo elevato. Ancora più importante, rinforza altre ceramiche.
Zirconia rinforzata con allumina (ATZ)
La zirconia pura subisce una trasformazione martensitica, che ne migliora la tenacità ma causa cricche durante il raffreddamento. Stabilizzanti come l'ittrio possono essere d'aiuto, ma gli effetti sono limitati. L'aggiunta di allumina come seconda fase risolve questo problema.
- L'allumina è compatibile con la zirconia.
- Aumenta la forza, la tenacia e le proprietà anti-invecchiamento.
- Il composito resiste al calore, alla corrosione e all'usura.
Di conseguenza, la ceramica ATZ è ampiamente studiata per applicazioni strutturali.
Altri sistemi ceramici
L'allumina migliora anche il carburo di silicio e altre ceramiche. Anche nelle ceramiche di allumina, l'aggiunta di piccole quantità di nano-Al₂O₃ riduce la temperatura di sinterizzazione e ne migliora la tenacità.
Miglioramento dei compositi polimerici per la dissipazione del calore
Nei veicoli elettrici, nell'accumulo di energia e nell'elettronica 5G, la gestione del calore è fondamentale. Un'elevata densità di potenza porta a temperature più elevate. Il surriscaldamento riduce le prestazioni e la sicurezza.
I polimeri sono leggeri, economici e facili da lavorare. Sono ampiamente utilizzati nei materiali di interfaccia termica e di imballaggio. Tuttavia, i polimeri sono cattivi conduttori di calore. La loro conduttività termica è solitamente di soli 0,1-0,5 W/(m·K).
Per risolvere questo problema, vengono introdotti riempitivi ad alta conduttività termica. L'ossido di alluminio è il riempitivo più comune. È economico, elettricamente isolante e chimicamente stabile. L'aggiunta di particelle di allumina aumenta significativamente la conduttività termica del polimero. Questo rende i compositi adatti per pacchi batteria, stazioni base 5G e dispositivi elettronici.
Conclusione
L'ossido di alluminio è un materiale di rinforzo multifunzionale. Nelle batterie agli ioni di litio, migliora la stabilità, la durata e la sicurezza. Nella ceramica, ne aumenta la tenacità e la durata. Nei polimeri, aumenta la conduttività termica. Grazie a questi vantaggi, l'allumina ha un valore insostituibile nei settori dell'energia, dell'elettronica e dei materiali avanzati. Le sue applicazioni continueranno ad espandersi, stimolando l'innovazione e gli aggiornamenti industriali.