Оксид алюминия (Al₂O₃) — один из самых распространённых и широко используемых неорганических материалов. Он служит основным сырьем для производства алюминия. Кроме того, он играет важную роль в производстве высококачественной керамики, абразивов и носителей катализаторов. Благодаря таким свойствам, как высокая термостойкость, коррозионная стойкость, твёрдость и изоляционные свойства, оксид алюминия применяется в новых видах энергетики, аэрокосмической промышленности, охране окружающей среды и медицине. В качестве добавки он действует как «питательное вещество», улучшая характеристики других материалов. Он считается многофункциональным армирующим материалом. В данной статье рассматривается его применение в аккумуляторах, керамике и полимерах.
Улучшение Литий-ионный аккумулятор Производительность и безопасность
Литий-ионные аккумуляторы играют ключевую роль в системах накопления энергии и электромобилях. Их производительность зависит от катода, анода, сепаратора и электролита. Во всех этих компонентах используется оксид алюминия, обладающий превосходной стабильностью и изоляцией.
Катодные материалы
Тонкий оксид алюминия покрытие на катодных материалах улучшает сохранение емкости, циклический ресурс и термическую стабильность.
Его эффекты включают в себя:
- Удаление HF из электролита, уменьшение растворения металла.
- Создание защитного барьера, ограничение побочных реакций.
- Формирование алюмината лития для улучшения диффузии ионов и снижения сопротивления переносу заряда.
- Уменьшение тепловыделения, повышение термостабильности.
- Реагирует с LiPF₆ с образованием LiPO₂F₂, что увеличивает срок службы аккумулятора.
- Подавление эффектов Яна-Теллера для стабилизации электродов.
Материалы для разделителей
Сепараторы с покрытием из оксида алюминия устойчивы к усадке при высоких температурах. Это предотвращает короткие замыкания и тепловой разгон. Керамический слой также укрепляет сепаратор механически. Он регулирует пористость, улучшает перенос ионов и значительно повышает безопасность.
Анодные материалы
Покрытие анода оксидом алюминия улучшает межфазную стабильность и снижает потери лития. В испытаниях на проникновение иглы элементы с керамическим покрытием показали более низкие пиковые температуры и отсутствие взрыва. В отличие от этого, элементы без покрытия достигали температуры более 400 °C с образованием дыма и взрывом.
Электролит и твердый электролит
Добавление порошка оксида алюминия в жидкий электролит увеличивает проводимость и снижает сопротивление. Это улучшает характеристики заряда-разряда и увеличивает срок службы. В твердых электролитах оксид алюминия повышает межфазную стабильность и обратимость литий-ионного обмена. Например, добавление оксида алюминия 5% в LLZO повысило сохранение емкости с 82,3% до 91,4% после 200 циклов.
Армирующие керамические материалы
Сам по себе оксид алюминия представляет собой высокоэффективную керамику, обладающую твёрдостью, износостойкостью и высоким модулем упругости. Что ещё важнее, он упрочняет другие виды керамики.
Закаленный оксид циркония (ATZ)
Чистый диоксид циркония претерпевает мартенситное превращение, повышая прочность, но вызывая трещины при охлаждении. Стабилизаторы, такие как оксид иттрия, могут помочь, но их эффект ограничен. Добавление оксида алюминия в качестве второй фазы решает эту проблему.
- Оксид алюминия совместим с диоксидом циркония.
- Повышает прочность, ударную вязкость и антивозрастные свойства.
- Композит устойчив к нагреванию, коррозии и износу.
В результате керамика ATZ широко изучается для применения в конструкциях.
Другие керамические системы
Оксид алюминия также улучшает свойства карбида кремния и других видов керамики. Даже в самой оксидно-оксидной керамике добавление небольшого количества нано-Al₂O₃ снижает температуру спекания и повышает прочность.
Улучшение теплоотдачи полимерных композитов
В электромобилях, системах накопления энергии и 5G-электронике управление теплом критически важно. Высокая плотность мощности приводит к повышению температуры. Перегрев снижает производительность и безопасность.
Полимеры лёгкие, недорогие и простые в обработке. Они широко используются в термоинтерфейсах и упаковочных материалах. Однако полимеры являются плохими проводниками тепла. Их теплопроводность обычно составляет всего 0,1–0,5 Вт/(м·К).
Для решения этой проблемы вводят наполнители с высокой теплопроводностью. Наиболее распространённым наполнителем является оксид алюминия. Он недорогой, электроизолирующий и химически стабильный. Добавление частиц оксида алюминия значительно увеличивает теплопроводность полимеров. Это делает композиты пригодными для использования в аккумуляторных батареях, базовых станциях 5G и электронных устройствах.
Заключение
Оксид алюминия — многофункциональный армирующий материал. В литий-ионных аккумуляторах он повышает стабильность, срок службы и безопасность. В керамике он повышает прочность и долговечность. В полимерах он повышает теплопроводность. Благодаря этим преимуществам оксид алюминия имеет незаменимое значение в энергетике, электронике и производстве современных материалов. Его применение будет продолжать расширяться, стимулируя инновации и модернизацию промышленности.