Aluminiumoxide (Al₂O₃) is een van de meest voorkomende en meest gebruikte anorganische materialen. Het is de belangrijkste grondstof voor de productie van aluminium. Tegelijkertijd speelt het een belangrijke rol in geavanceerde keramiek, schuurmiddelen en katalysatordragers. Met eigenschappen zoals hoge temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid, hardheid en isolatie wordt aluminiumoxide toegepast in nieuwe energie, de lucht- en ruimtevaart, milieubescherming en de medische sector. Als additief fungeert het als een "voedingsstof" en verbetert het de prestaties van andere materialen. Het wordt beschouwd als een multifunctioneel versterkingsmateriaal. Dit artikel introduceert de toepassingen ervan in batterijen, keramiek en polymeren.
Verbeteren Lithium-ionbatterij Prestaties en veiligheid
Lithium-ionbatterijen zijn essentieel voor energieopslag en elektrische voertuigen. Hun prestaties zijn afhankelijk van de kathode, anode, separator en elektrolyt. In al deze onderdelen wordt aluminiumoxide gebruikt, met een uitstekende stabiliteit en isolatie.
Kathodematerialen
Een dun aluminiumoxide bekleding op kathodematerialen verbetert het behoud van capaciteit, de cycluslevensduur en thermische stabiliteit.
De effecten ervan zijn onder meer:
- Verwijderen van HF uit elektrolyt, waardoor metaaloplossing wordt verminderd.
- Het creëren van een beschermende barrière, waardoor nevenreacties worden beperkt.
- Vorming van lithiumaluminaat om ionendiffusie te verbeteren en de ladingsoverdrachtweerstand te verlagen.
- Vermindering van warmteontwikkeling, verbetering van thermische stabiliteit.
- Reageert met LiPF₆ om LiPO₂F₂ te vormen, wat de levensduur verlengt.
- Onderdrukking van Jahn-Teller-effecten om elektroden te stabiliseren.
Scheidingsmaterialen
Met aluminiumoxide gecoate separatoren zijn bestand tegen krimp bij hoge temperaturen. Dit voorkomt kortsluiting en thermische runaway. De keramische laag versterkt de separator ook mechanisch. Het regelt de porositeit, verbetert het ionentransport en verhoogt de veiligheid aanzienlijk.
Anodematerialen
Het coaten van de anode met aluminiumoxide verbetert de stabiliteit van het grensvlak en vermindert het lithiumverlies. In naaldpenetratietests vertoonden keramisch gecoate cellen lagere piektemperaturen en geen explosie. Niet-gecoate cellen bereikten daarentegen temperaturen van meer dan 400 °C met rook en explosie tot gevolg.
Elektrolyt en vaste elektrolyt
Het toevoegen van aluminiumoxidepoeder aan vloeibare elektrolyt verhoogt de geleidbaarheid en vermindert de weerstand. Het verbetert de laad-ontlaadprestaties en de cycluslevensduur. In vaste elektrolyten verbetert aluminiumoxide de grensvlakstabiliteit en de omkeerbaarheid van lithiumionen. Door bijvoorbeeld 5%-aluminiumoxide aan LLZO toe te voegen, steeg het capaciteitsbehoud van 82,3% naar 91,4% na 200 cycli.
Versterkende keramische materialen
Alumina zelf is een hoogwaardig keramiek met hardheid, slijtvastheid en een hoge modulus. Belangrijker nog, het versterkt andere keramieksoorten.
Alumina gehard zirkonia (ATZ)
Zuiver zirkoon ondergaat een martensitische transformatie, wat de taaiheid verbetert maar scheuren veroorzaakt tijdens het afkoelen. Stabilisatoren zoals yttriumoxide kunnen helpen, maar het effect is beperkt. Het toevoegen van aluminiumoxide als tweede fase lost dit op.
- Alumina is compatibel met zirkonia.
- Het verhoogt de sterkte, taaiheid en anti-verouderingseigenschappen.
- Het composiet is bestand tegen hitte, corrosie en slijtage.
Daarom wordt ATZ-keramiek veelvuldig onderzocht voor structurele toepassingen.
Andere keramische systemen
Alumina verbetert ook siliciumcarbide en andere keramiek. Zelfs in aluminakeramiek zelf verlaagt de toevoeging van kleine hoeveelheden nano-Al₂O₃ de sintertemperatuur en verbetert de taaiheid.
Verbetering van polymeercomposieten voor warmteafvoer
In elektrische voertuigen, energieopslag en 5G-elektronica is warmtebeheer cruciaal. Een hoge vermogensdichtheid leidt tot hogere temperaturen. Oververhitting vermindert de prestaties en veiligheid.
Polymeren zijn lichtgewicht, goedkoop en gemakkelijk te verwerken. Ze worden veel gebruikt in thermische interfaces en verpakkingsmaterialen. Polymeren zijn echter slechte warmtegeleiders. Hun thermische geleidbaarheid is meestal slechts 0,1–0,5 W/(m·K).
Om dit probleem op te lossen, worden vulstoffen met een hoge thermische geleidbaarheid geïntroduceerd. Aluminiumoxide is de meest voorkomende vulstof. Het is goedkoop, elektrisch isolerend en chemisch stabiel. De toevoeging van aluminiumoxidedeeltjes verhoogt de thermische geleidbaarheid van polymeren aanzienlijk. Dit maakt composieten geschikt voor batterijpakketten, 5G-basisstations en elektronische apparaten.
Conclusie
Aluminiumoxide is een multifunctioneel versterkingsmateriaal. In lithium-ionbatterijen verbetert het de stabiliteit, levensduur en veiligheid. In keramiek verhoogt het de taaiheid en duurzaamheid. In polymeren verhoogt het de thermische geleidbaarheid. Met deze voordelen is aluminiumoxide van onschatbare waarde in energie, elektronica en geavanceerde materialen. De toepassingen ervan zullen blijven toenemen, wat innovatie en industriële upgrades stimuleert.