อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) เป็นหนึ่งในวัสดุอนินทรีย์ที่พบและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด เป็นวัตถุดิบหลักในการผลิตอะลูมิเนียม ขณะเดียวกันก็มีบทบาทสำคัญในเซรามิกขั้นสูง สารกัดกร่อน และตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยา ด้วยคุณสมบัติต่างๆ เช่น ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน ความแข็ง และความเป็นฉนวน อะลูมิเนียมออกไซด์จึงถูกนำไปใช้ในด้านพลังงานใหม่ การบินและอวกาศ การปกป้องสิ่งแวดล้อม และการแพทย์ ในฐานะสารเติมแต่ง อะลูมิเนียมออกไซด์ทำหน้าที่เป็น "สารอาหาร" ที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุอื่นๆ ถือเป็นวัสดุเสริมแรงอเนกประสงค์ บทความนี้จะแนะนำการประยุกต์ใช้ในแบตเตอรี่ เซรามิก และพอลิเมอร์

การปรับปรุง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ประสิทธิภาพและความปลอดภัย
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการกักเก็บพลังงานและยานยนต์ไฟฟ้า ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ขึ้นอยู่กับขั้วแคโทด ขั้วแอโนด ตัวแยก และอิเล็กโทรไลต์ อะลูมินาซึ่งมีเสถียรภาพและฉนวนที่ดีเยี่ยมจึงถูกนำมาใช้ในทุกส่วนเหล่านี้
วัสดุแคโทด
อะลูมิเนียมออกไซด์บางๆ การเคลือบ วัสดุแคโทดช่วยปรับปรุงการคงความจุ อายุการใช้งานของวงจร และเสถียรภาพทางความร้อน
ผลกระทบที่เกิดขึ้นได้แก่:
- การกำจัด HF ออกจากอิเล็กโทรไลต์ ช่วยลดการละลายของโลหะ
- สร้างเกราะป้องกันจำกัดปฏิกิริยาข้างเคียง
- การสร้างลิเธียมอะลูมิเนตเพื่อเพิ่มการแพร่กระจายของไอออนและลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุ
- ลดการเกิดความร้อน เพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน
- ทำปฏิกิริยากับ LiPF₆ เพื่อสร้าง LiPO₂F₂ ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานในการปั่นจักรยาน
- การระงับผลของ Jahn-Teller เพื่อทำให้ขั้วไฟฟ้าคงที่
วัสดุแยก
ตัวแยกที่เคลือบด้วยอะลูมินาจะต้านทานการหดตัวที่อุณหภูมิสูง ช่วยป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรและความร้อนไหลย้อนกลับ ชั้นเซรามิกยังช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับตัวแยกทางกลไก ช่วยปรับความพรุน เพิ่มประสิทธิภาพการลำเลียงไอออน และเพิ่มความปลอดภัยอย่างมาก
วัสดุขั้วบวก
การเคลือบขั้วบวกด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของส่วนต่อประสานและลดการสูญเสียลิเธียม ในการทดสอบการเจาะด้วยเข็ม เซลล์ที่เคลือบด้วยเซรามิกมีอุณหภูมิสูงสุดต่ำกว่าและไม่มีการระเบิด ในทางตรงกันข้าม เซลล์ที่ไม่ได้เคลือบจะมีอุณหภูมิสูงกว่า 400°C ทั้งที่มีควันและการระเบิด
อิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง
การเติมผงอะลูมินาลงในอิเล็กโทรไลต์เหลวจะช่วยเพิ่มสภาพนำไฟฟ้าและลดความต้านทาน ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จ-คายประจุและอายุการใช้งาน ในอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง อะลูมินาช่วยเพิ่มเสถียรภาพของส่วนต่อประสานและการกลับคืนสภาพของลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น การเติมอะลูมินา 5% ลงใน LLZO ช่วยเพิ่มอัตราการเก็บรักษาความจุจาก 82.3% เป็น 91.4% หลังจาก 200 รอบ
วัสดุเซรามิกเสริมแรง
อะลูมินาเป็นเซรามิกประสิทธิภาพสูงที่มีความแข็ง ทนทานต่อการสึกหรอ และโมดูลัสสูง ที่สำคัญกว่านั้นคือช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับเซรามิกอื่นๆ
อะลูมินา ทัฟเทน เซอร์โคเนีย (ATZ)
เซอร์โคเนียบริสุทธิ์ผ่านกระบวนการเปลี่ยนรูปแบบมาร์เทนไซต์ ซึ่งช่วยเพิ่มความเหนียว แต่ทำให้เกิดรอยแตกร้าวระหว่างการหล่อเย็น สารคงตัวเช่นอิตเทรียอาจช่วยได้ แต่ผลกระทบยังมีจำกัด การเติมอะลูมินาเป็นขั้นตอนที่สองจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้
- อะลูมินาเข้ากันได้กับเซอร์โคเนีย
- เพิ่มความแข็งแกร่ง ความทนทาน และคุณสมบัติต่อต้านวัย
- คอมโพสิตทนทานต่อความร้อน การกัดกร่อน และการสึกหรอ
ส่งผลให้เซรามิก ATZ ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้าง
ระบบเซรามิกอื่นๆ
อะลูมินายังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของซิลิกอนคาร์ไบด์และเซรามิกอื่นๆ แม้แต่ในเซรามิกอะลูมินาเอง การเติมนาโน-Al₂O₃ ในปริมาณเล็กน้อยจะช่วยลดอุณหภูมิการเผาผนึกและเพิ่มความเหนียว
การปรับปรุงคอมโพสิตโพลิเมอร์เพื่อการระบายความร้อน
การจัดการความร้อนเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า ระบบกักเก็บพลังงาน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 5G ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงนำไปสู่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ความร้อนที่สูงเกินไปจะลดประสิทธิภาพและความปลอดภัย
พอลิเมอร์มีน้ำหนักเบา ต้นทุนต่ำ และง่ายต่อการแปรรูป นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุเชื่อมต่อความร้อนและวัสดุบรรจุภัณฑ์ อย่างไรก็ตาม พอลิเมอร์เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี โดยทั่วไปแล้วค่าการนำความร้อนจะอยู่ที่ 0.1–0.5 W/(m·K) เท่านั้น
เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงได้นำสารตัวเติมที่มีค่าการนำความร้อนสูงมาใช้ โดยอะลูมิเนียมออกไซด์เป็นสารตัวเติมที่พบมากที่สุด เนื่องจากมีราคาไม่แพง เป็นฉนวนไฟฟ้า และมีความเสถียรทางเคมี การเพิ่มอนุภาคอะลูมินาจะช่วยเพิ่มค่าการนำความร้อนของพอลิเมอร์ได้อย่างมาก ทำให้วัสดุคอมโพสิตเหมาะสำหรับชุดแบตเตอรี่ สถานีฐาน 5G และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
บทสรุป
อะลูมิเนียมออกไซด์เป็นวัสดุเสริมแรงอเนกประสงค์ ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อะลูมิเนียมออกไซด์ช่วยเพิ่มเสถียรภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัย ในเซรามิก อะลูมิเนียมออกไซด์ช่วยเพิ่มความเหนียวและความทนทาน ในพอลิเมอร์ อะลูมิเนียมออกไซด์ช่วยเพิ่มการนำความร้อน ด้วยข้อดีเหล่านี้ อะลูมิเนียมออกไซด์จึงมีคุณค่าที่ไม่อาจทดแทนได้ในด้านพลังงาน อิเล็กทรอนิกส์ และวัสดุขั้นสูง การประยุกต์ใช้อะลูมิเนียมออกไซด์จะยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ผลักดันนวัตกรรมและการยกระดับอุตสาหกรรม