산화 알루미늄 (Al₂O₃)는 가장 흔하고 널리 사용되는 무기 재료 중 하나입니다. 알루미늄 생산의 주요 원료이며, 동시에 고급 세라믹, 연마재, 촉매 담지체에서도 중요한 역할을 합니다. 고온 내성, 내식성, 경도, 절연성과 같은 특성을 가진 산화알루미늄은 신에너지, 항공우주, 환경 보호, 의료 분야에 응용됩니다. 첨가제로서 산화알루미늄은 다른 재료의 성능을 향상시키는 "영양소"와 같은 역할을 합니다. 산화알루미늄은 다기능 강화재로 간주됩니다. 본 논문에서는 배터리, 세라믹, 폴리머 분야에서 산화알루미늄의 응용 분야를 소개합니다.
개선 중 리튬 이온 배터리 성능 및 안전
리튬 이온 배터리는 에너지 저장 및 전기 자동차에 필수적인 요소입니다. 배터리의 성능은 양극, 음극, 분리막, 그리고 전해질에 따라 결정됩니다. 이 모든 부품에는 안정성과 절연성이 뛰어난 알루미나가 사용됩니다.
음극재
얇은 알루미늄 산화물 코팅 양극 소재에서는 용량 유지, 사이클 수명, 열 안정성이 향상됩니다.
그 효과는 다음과 같습니다.
- 전해질에서 HF를 제거하여 금속 용해를 줄입니다.
- 보호 장벽을 생성하여 부작용을 제한합니다.
- 이온 확산을 향상시키고 전하 전달 저항을 낮추기 위해 리튬 알루미네이트를 형성합니다.
- 열 발생을 줄이고 열 안정성을 향상시킵니다.
- LiPF₆와 반응하여 LiPO₂F₂를 형성하여 사이클 수명을 향상시킵니다.
- 전극을 안정화하기 위해 Jahn-Teller 효과를 억제합니다.
분리막 재료
알루미나 코팅 분리막은 고온에서 수축을 방지합니다. 이는 단락 및 열 폭주를 방지합니다. 세라믹 층은 또한 분리막을 기계적으로 강화합니다. 기공률을 조절하고, 이온 전달을 향상시키며, 안전성을 크게 향상시킵니다.
양극재
양극을 산화알루미늄으로 코팅하면 계면 안정성이 향상되고 리튬 손실이 감소합니다. 침관통 시험에서 세라믹 코팅된 셀은 최고 온도가 더 낮았고 폭발이 발생하지 않았습니다. 반면, 코팅되지 않은 셀은 400°C 이상까지 올라가 연기와 폭발이 발생했습니다.
전해질 및 고체 전해질
액체 전해질에 알루미나 분말을 첨가하면 전도도가 증가하고 저항이 감소합니다. 충방전 성능과 사이클 수명이 향상됩니다. 고체 전해질에서 알루미나는 계면 안정성과 리튬 이온 가역성을 향상시킵니다. 예를 들어, LLZO에 5% 알루미나를 첨가하면 200 사이클 후 용량 유지율이 82.3%에서 91.4%로 증가했습니다.
강화 세라믹 재료
알루미나 자체는 경도, 내마모성, 그리고 높은 탄성률을 가진 고성능 세라믹입니다. 더 중요한 것은 다른 세라믹을 강화한다는 것입니다.
알루미나 강화 지르코니아(ATZ)
순수 지르코니아는 마르텐사이트 변태를 겪어 인성은 향상되지만 냉각 중 균열이 발생합니다. 이트리아와 같은 안정제가 도움이 될 수 있지만 효과는 제한적입니다. 알루미나를 2차상으로 첨가하면 이 문제를 해결할 수 있습니다.
- 알루미나는 지르코니아와 호환됩니다.
- 강도, 인성, 노화방지 효과가 향상됩니다.
- 이 합성물은 열, 부식, 마모에 강합니다.
결과적으로 ATZ 세라믹은 구조적 응용 분야에서 널리 연구되고 있습니다.
기타 세라믹 시스템
알루미나는 탄화규소 및 기타 세라믹의 성능을 향상시킵니다. 알루미나 세라믹 자체에도 소량의 나노-Al₂O₃를 첨가하면 소결 온도가 낮아지고 인성이 향상됩니다.
열 방출을 위한 폴리머 복합재 강화
전기차, 에너지 저장 장치, 그리고 5G 전자 기기에서는 열 관리가 매우 중요합니다. 높은 전력 밀도는 높은 온도로 이어지며, 과열은 성능과 안전성을 저하시킵니다.
폴리머는 가볍고 저렴하며 가공이 용이합니다. 열 인터페이스 및 패키징 소재에 널리 사용됩니다. 그러나 폴리머는 열전도도가 낮아 열전도도가 일반적으로 0.1~0.5 W/(m·K)에 불과합니다.
이 문제를 해결하기 위해 높은 열전도도의 필러가 도입되었습니다. 산화알루미늄이 가장 널리 사용되는 필러입니다. 산화알루미늄은 저렴하고 전기 절연성이 뛰어나며 화학적으로 안정적입니다. 알루미나 입자를 첨가하면 폴리머의 열전도도가 크게 향상됩니다. 따라서 복합재는 배터리 팩, 5G 기지국, 전자 기기 등에 적합합니다.
결론
산화알루미늄은 다기능 강화재입니다. 리튬 이온 배터리에서는 안정성, 사이클 수명, 그리고 안전성을 향상시킵니다. 세라믹에서는 인성과 내구성을 향상시키고, 폴리머에서는 열전도도를 높입니다. 이러한 장점 덕분에 알루미나는 에너지, 전자, 그리고 첨단 소재 분야에서 대체할 수 없는 가치를 지닙니다. 알루미나의 응용 분야는 계속해서 확장되어 혁신과 산업 발전을 촉진할 것입니다.