Aluminiumoxid ist der Rohstoff für Aluminiumprodukte und ein Hilfsstoff für die Chemie- und Maschinenbauindustrie. Es spielt seit langem eine wichtige Rolle in der Volkswirtschaft. Neue Branchen wie Telekommunikation, erneuerbare Energien und Halbleiter wachsen rasant. Dies erhöht die Nachfrage nach Hochleistungsmaterialien. Hochwertige Aluminiumoxidprodukte gewinnen insbesondere im Billionen-Dollar-Markt für erneuerbare Energien an Bedeutung. Aluminiumoxid hat sich in diesem Sektor zu einem wichtigen Grundstoff entwickelt.
Der neue Energiemarkt
Um der globalen Energiekrise und der Umweltverschmutzung zu begegnen, haben Länder Maßnahmen zur Förderung einer kohlenstoffarmen Energiewende ergriffen. Diese Maßnahmen zielen darauf ab, die nachhaltige Entwicklung der neuen Energiebranche zu unterstützen.
Im Sektor der Fahrzeuge mit alternativen Antrieben (NEVs) in China wachsen Produktion und Absatz seit 2021 stetig. Das jährliche Wachstum lag vier Jahre in Folge über 301 Milliarden Tonnen. 2024 überstiegen Produktion und Absatz von Fahrzeugen mit alternativen Antrieben erstmals die 10-Millionen-Marke und erreichten 12,888 Millionen bzw. 12,866 Millionen Einheiten. Dies entspricht einem Anstieg von 34,41 Milliarden bzw. 35,51 Milliarden Tonnen gegenüber dem Vorjahr. Fahrzeuge mit alternativen Antrieben machen nun 40,91 Milliarden Tonnen des gesamten Fahrzeugabsatzes aus, ein Plus von 9,3 Prozentpunkten gegenüber 2023. Einige Institute prognostizieren, dass der chinesische Markt für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben bis 2025 ein Volumen von 2,31 Billionen Yuan erreichen wird.
Batteriesektor
Laut den vom Ministerium für Industrie und Informationstechnologie veröffentlichten Daten wird Chinas gesamte Lithiumbatterieproduktion im Jahr 2024 1.170 GWh erreichen, was einem Anstieg von 241 TP3T gegenüber dem Vorjahr entspricht, wobei der Gesamtproduktionswert der Branche 1,2 Billionen Yuan übersteigt.
Anwendung von Aluminiumoxid in der neuen Energiebranche
Kathodenmaterialien
Bei Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien kann die Oberflächenbeschichtung mit Al₂O₃ den Kapazitätserhalt, die Langzeitbeständigkeit und die thermische Stabilität der Kathodenmaterialien effektiv verbessern. Zu den positiven Auswirkungen von Al₂O₃-Oberflächenbeschichtungen auf die Leistung des Kathodenmaterials zählen:
Wirkt als Fluoridfänger, entfernt HF aus der Elektrolytlösung und unterdrückt die Auflösung von Übergangsmetallen im Kathodenmaterial.
Bildung einer physikalischen Schutzbarriere auf der Kathodenoberfläche, um unnötige Nebenreaktionen zwischen dem Kathodenmaterial und dem nichtwässrigen Elektrolyten zu verhindern.
Bildung von Lithiumaluminid auf der Kathodenoberfläche, um die Diffusionsrate von Lithiumionen zu verbessern und den Ladungsübertragungswiderstand zu verringern.
Reduzierung exothermer Reaktionen und dadurch Verbesserung der thermischen Stabilität des Kathodenmaterials.
Durch die Reaktion mit LiPF₆ entsteht der Elektrolytzusatz LiPO₂F₂, der die Zyklenleistung und Lebensdauer der Batterie verbessert.
Unterdrückung des Jahn-Teller-Effekts und dadurch Erhöhung der Zyklenstabilität der Elektrode.
Separatorbeschichtung
Der Separator ist die technisch anspruchsvollste Komponente in Lithium-Ionen-Batteriematerialien. Ihr Kostenanteil liegt nach den Kathodenmaterialien an zweiter Stelle und beträgt etwa 101 bis 141 TP3T. Bei einigen High-End-Batterien können die Kosten des Separators sogar bis zu 201 TP3T betragen.
Untersuchungen zeigen, dass eine ein- oder beidseitige Beschichtung der Separatoroberfläche die Hochtemperaturstabilität verbessert. Sie reduziert zudem Sicherheitsrisiken wie Elektrodenkontakt, Verbrennungen und Explosionen durch thermische Schrumpfung des Separators. Dies erhöht die Stabilität und Lebensdauer des Separators deutlich.
Hochreines Aluminiumoxid ist ein ideales anorganisches Beschichtungsmaterial. Es bietet hervorragende thermische Stabilität und chemische Inertheit und eignet sich daher perfekt für Keramikbeschichtungen von Batterieseparatoren.
Anodenmaterialien
Aluminiumoxid kann nicht nur auf Separatoren, sondern auch auf die Oberfläche von Anoden aufgetragen werden. Studien von Hou Min und Zhang Yanjiang haben ergeben, dass die Beschichtung der Anodenoberfläche mit Aluminiumoxid die Stabilität der Anodenschnittstelle verbessert, den Verlust von aktivem Lithium reduziert und die Ladungserhaltungsfähigkeit sowie die Zyklenfestigkeit von Lithium-Ionen-Batterien verbessert. Bei Durchstoßtests konnte die Beschichtung der Anodenoberfläche die Schwere des Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode verringern.
Elektrolyte
Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien wird maßgeblich von den Eigenschaften des Elektrolyten beeinflusst. Für unterschiedliche Funktionen von Lithium-Ionen-Batterien werden unterschiedliche Elektrolytsysteme verwendet. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zugabe einer bestimmten Menge Aluminiumoxidpulver zum Elektrolyten dessen Leitfähigkeit effektiv verbessern, den Ladungsübertragungswiderstand verringern und die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien steigern kann.
Elektrolyte für Festkörperbatterien
Hochreines Nano-Aluminiumoxid, das Polymer-Festkörperelektrolyten wie Polyethylenoxid (PEO) zugesetzt wird, kann die Leitfähigkeit und Stabilität des Polymers verbessern, die Polymerkristallinität verringern und die Kettenbeweglichkeit erhöhen. Die Zugabe zu oxidischen Festkörperelektrolyten wie dem Granat-artigen Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO)-Festkörperelektrolyten kann die Leitfähigkeit und Kapazitätserhaltung des Elektrolyten verbessern.
Abschluss
Über die oben genannten Anwendungen hinaus ist die Verwendung von Aluminiumoxid in der Erneuerbare-Energien-Branche keineswegs begrenzt. Beispielsweise wird es in keramischen Komponenten wie Relais, Sicherungen und Dichtungsringen in Fahrzeugen mit alternativen Antrieben eingesetzt. In der Erneuerbare-Energien-Branche, die vor Herausforderungen im Wärmemanagement steht, spielt Aluminiumoxid nicht nur als Wärmeableitungssubstrat, sondern auch als wärmeleitender Füllstoff eine Schlüsselrolle und wird häufig in wärmeleitenden Pasten, Gelen und anderen Kühlmaterialien verwendet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Aluminiumoxidmaterialien in den Billionen-Dollar-Märkten der Erneuerbaren Energien und der Halbleiterindustrie breite Anwendungsmöglichkeiten bieten.
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