Nhôm oxit (Al₂O₃) là một trong những vật liệu vô cơ phổ biến và được sử dụng rộng rãi nhất. Nó là nguyên liệu chính để sản xuất nhôm. Đồng thời, nó đóng vai trò quan trọng trong gốm sứ tiên tiến, vật liệu mài mòn và chất mang xúc tác. Với các đặc tính như chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn, độ cứng và cách điện, nhôm oxit được ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng mới, hàng không vũ trụ, bảo vệ môi trường và y tế. Là một chất phụ gia, nó hoạt động như một "chất dinh dưỡng", cải thiện hiệu suất của các vật liệu khác. Nó được coi là một vật liệu gia cường đa chức năng. Bài viết này giới thiệu các ứng dụng của nó trong pin, gốm sứ và polyme.
Cải thiện Pin Lithium-Ion Hiệu suất và An toàn
Pin lithium-ion rất quan trọng đối với việc lưu trữ năng lượng và xe điện. Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào catốt, anode, lớp ngăn cách và chất điện phân. Nhôm oxit, với độ ổn định và khả năng cách điện tuyệt vời, được sử dụng trong tất cả các bộ phận này.
Vật liệu Catốt
Một oxit nhôm mỏng lớp phủ trên vật liệu catốt cải thiện khả năng duy trì dung lượng, tuổi thọ chu kỳ và độ ổn định nhiệt.
Tác dụng của nó bao gồm:
- Loại bỏ HF khỏi chất điện phân, giảm sự hòa tan kim loại.
- Tạo ra hàng rào bảo vệ, hạn chế phản ứng phụ.
- Tạo thành lithium aluminate để tăng cường sự khuếch tán ion và giảm điện trở truyền điện tích.
- Giảm sinh nhiệt, cải thiện độ ổn định nhiệt.
- Phản ứng với LiPF₆ tạo thành LiPO₂F₂, giúp tăng tuổi thọ chu kỳ.
- Ức chế hiệu ứng Jahn-Teller để ổn định điện cực.
Vật liệu tách
Bộ tách phủ nhôm chống co ngót ở nhiệt độ cao. Điều này ngăn ngừa hiện tượng đoản mạch và mất ổn định nhiệt. Lớp gốm cũng tăng cường độ bền cơ học cho bộ tách. Nó điều chỉnh độ xốp, tăng cường vận chuyển ion và cải thiện đáng kể độ an toàn.
Vật liệu anode
Phủ anode bằng nhôm oxit giúp cải thiện độ ổn định giao diện và giảm tổn thất lithium. Trong các thử nghiệm xuyên kim, các cell được phủ gốm cho thấy nhiệt độ đỉnh thấp hơn và không xảy ra hiện tượng nổ. Ngược lại, các cell không được phủ gốm đạt nhiệt độ trên 400°C kèm theo khói và nổ.
Chất điện phân và chất điện phân rắn
Việc thêm bột nhôm oxit vào chất điện phân lỏng làm tăng độ dẫn điện và giảm điện trở. Nó cải thiện hiệu suất sạc-xả và tuổi thọ chu kỳ. Trong chất điện phân rắn, nhôm oxit tăng cường độ ổn định giao diện và khả năng đảo ngược ion lithium. Ví dụ, việc thêm nhôm oxit 5% vào LLZO đã nâng cao khả năng duy trì dung lượng từ 82,3% lên 91,4% sau 200 chu kỳ.
Vật liệu gốm gia cố
Bản thân alumina là một loại gốm hiệu suất cao với độ cứng, khả năng chống mài mòn và mô đun đàn hồi cao. Quan trọng hơn, nó còn gia cường các loại gốm khác.
Zirconia cường lực nhôm (ATZ)
Zirconia nguyên chất trải qua quá trình biến đổi martensitic, cải thiện độ dẻo dai nhưng lại gây ra các vết nứt trong quá trình làm nguội. Các chất ổn định như yttria có thể giúp ích, nhưng hiệu quả rất hạn chế. Việc thêm alumina làm pha thứ hai sẽ giải quyết được vấn đề này.
- Nhôm oxit tương thích với zirconia.
- Nó làm tăng sức mạnh, độ dẻo dai và khả năng chống lão hóa.
- Vật liệu tổng hợp có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn và mài mòn.
Do đó, gốm ATZ được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng kết cấu.
Các hệ thống gốm khác
Nhôm oxit cũng tăng cường tính chất của silicon carbide và các loại gốm sứ khác. Ngay cả trong gốm nhôm oxit, việc bổ sung một lượng nhỏ nano-Al₂O₃ cũng làm giảm nhiệt độ thiêu kết và cải thiện độ dẻo dai.
Tăng cường vật liệu tổng hợp polymer để tản nhiệt
Trong xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và thiết bị điện tử 5G, việc quản lý nhiệt là rất quan trọng. Mật độ công suất cao dẫn đến nhiệt độ cao hơn. Quá nhiệt làm giảm hiệu suất và độ an toàn.
Polyme nhẹ, giá thành thấp và dễ gia công. Chúng được sử dụng rộng rãi trong vật liệu giao diện nhiệt và bao bì. Tuy nhiên, polyme là chất dẫn nhiệt kém. Độ dẫn nhiệt của chúng thường chỉ 0,1–0,5 W/(m·K).
Để giải quyết vấn đề này, các chất độn có độ dẫn nhiệt cao đã được sử dụng. Nhôm oxit là chất độn phổ biến nhất. Nó rẻ tiền, cách điện và ổn định về mặt hóa học. Việc bổ sung các hạt alumina làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của polyme. Điều này làm cho vật liệu composite phù hợp cho bộ pin, trạm gốc 5G và các thiết bị điện tử.
Phần kết luận
Nhôm oxit là một vật liệu gia cường đa chức năng. Trong pin lithium-ion, nó cải thiện độ ổn định, tuổi thọ và độ an toàn. Trong gốm sứ, nó tăng cường độ dẻo dai và độ bền. Trong polyme, nó tăng cường độ dẫn nhiệt. Với những ưu điểm này, nhôm oxit có giá trị không thể thay thế trong năng lượng, điện tử và vật liệu tiên tiến. Các ứng dụng của nó sẽ tiếp tục mở rộng, thúc đẩy đổi mới và nâng cấp công nghiệp.