Métodos de preparación de alúmina de gran pureza y su aplicación en baterías de litio
Con la continua expansión y profundización de la aplicación de la alúmina, aumentan los requisitos técnicos de pureza y distribución granulométrica de la alúmina. Este artículo explora en profundidad el método de preparación de la alúmina de alta pureza.
Principales métodos de preparación de alúmina de gran pureza
Los métodos de preparación de alúmina de alta pureza en China incluyen principalmente: método Bayer mejorado, método de hidrólisis de alcohol de aluminio, método de pirólisis de sulfato de amonio de aluminio y método de pirólisis de carbonato de amonio de aluminio.
Análisis comparativo de los métodos de preparación de alúmina de gran pureza
| Métodos de preparación | Principio básico | Ventajas |
|---|---|---|
| Método Bayer mejorado | Después de hidrolizar el NaAlO₂ para obtener AI(OH)₃, se cuece para obtener alúmina de gran pureza | Amplia gama de fuentes de materias primas, fácil de controlar la pureza de la alúmina de gran pureza |
| Método Bayer mejorado | Descomposición a alta temperatura de alcóxidos de organoaluminio | La temperatura de reacción es baja, la pureza alcanza el 4N5 y el rango de distribución del tamaño de las partículas es pequeño. Puede cumplir los requisitos de producción de LED y zafiro monocristalino, así como los de revestimiento cerámico, y el proceso no contamina. |
| Método Bayer mejorado | Descomposición a alta temperatura de alumbre de amonio y aluminio de gran pureza | El proceso es relativamente sencillo, la inversión es mínima, el coste es relativamente bajo, la distribución granulométrica es estrecha y la aglomeración de polvo es escasa. |
| Método de pirólisis del carbonato amónico de aluminio | Descomposición a alta temperatura de carbonato de aluminio y amonio de gran pureza | No hay contaminación, el proceso es relativamente sencillo y se mejora la relación de salida del producto, lo que se traduce en la generación de líquido residual. |
Aplicación de la alúmina en la batería de litio
Aplicación en materiales catódicos
En la investigación de materiales de cátodo para baterías de iones de litio, una forma importante de mejorar el rendimiento de los materiales es recubrir la superficie de los materiales de electrodo. El propósito es reducir el contacto entre la sustancia ácida del electrolito y el material del electrodo, reducir la corrosión del electrodo por ácido fluorhídrico y reducir la reacción lateral ácido-base, lo que es de gran ayuda para mejorar la estabilidad estructural del material del cátodo.
En la actualidad, el Al2O3 es uno de los materiales de revestimiento de óxido más investigados. Se utiliza ampliamente debido a sus abundantes reservas, su bajo precio, y puede mejorar significativamente la estabilidad estructural, el rendimiento electroquímico y la seguridad de los materiales catódicos.
El material LiMn2O4 es un material de electrodo de alta seguridad. Sin embargo, en el entorno de altas temperaturas y en el proceso de ciclos de larga duración, se produce un fenómeno de disolución del manganeso metálico, que afecta gravemente a la vida útil de la batería. Se reduce el área de contacto entre la superficie de LiMn2O4 recubierta de Al2O3 y el ácido fluorhídrico del electrolito.
Por lo tanto, se reduce el efecto de corrosión del ácido fluorhídrico sobre el material del electrodo, también se controla la solubilidad del manganeso, se mejora la estabilidad estructural del LiMn2O4 y se mejora el desvanecimiento de la capacidad del electrodo.
El material de alto contenido en níquel es un material de cátodo con una gran capacidad en gramos, pero es necesario mejorar la vida útil a alta temperatura y la seguridad. El revestimiento de Al2O3 hace retroceder la posición inicial del pico exotérmico detectado por el cátodo y disminuye la liberación de calor, lo que indica que el Al2O3 reduce la actividad superficial del óxido de níquel-cobalto-litio-manganeso y mejora la estabilidad térmica del material.
Aplicación en separadores
El separador es el material clave para realizar la separación física del cátodo y el ánodo, y su rendimiento tiene un gran impacto en la fiabilidad y seguridad de las baterías de iones de litio. Las baterías de iones de litio emitirán mucho calor cuando funcionen continuamente a alta corriente durante mucho tiempo, lo que requiere que el separador tenga un punto de fusión alto y un índice de contracción bajo a temperaturas más altas para evitar cortocircuitos entre el cátodo y el ánodo causados por la contracción o fusión a alta temperatura.
El PP, el PE y sus derivados son materiales habituales para los separadores de baterías de iones de litio, y su uso en condiciones de alta temperatura entraña riesgos. En la superficie del separador revestido hay una estructura de poros uniforme, la resistencia mecánica del separador mejora notablemente y el tamaño de las partículas cerámicas es pequeño.
El revestimiento cerámico tiene una elevada superficie específica y más poros, y la película de revestimiento puede absorber más electrolito, lo que es de gran ayuda para mejorar el rendimiento eléctrico de la batería.
Aplicación en ánodos
El polvo de alúmina puede recubrirse no sólo en el separador, sino también en la superficie del ánodo. El revestimiento de óxido de aluminio se recubre uniformemente sobre la superficie del ánodo de grafito, y el experimento de. 10 principales fabricantes de material para ánodos demuestra que el ánodo recubierto con cerámica de alúmina no tiene ningún efecto adverso sobre el rendimiento de descarga de alta corriente de la batería.
Durante múltiples ciclos, la morfología y el tamaño de las partículas del recubrimiento de alúmina permanecieron básicamente estables, el recubrimiento no tuvo ningún efecto significativo sobre la estructura cristalina del grafito, y el comportamiento de desintercalación de los iones de litio en el grafito no cambió significativamente.
El revestimiento de cerámica de alúmina mejora la estabilidad de la interfaz del ánodo, reduce la pérdida de litio activo y mejora la retención de carga y el rendimiento del ciclo de la batería de iones de litio. Durante la prueba de acupuntura, el revestimiento cerámico de la superficie del ánodo puede reducir la gravedad del cortocircuito entre el cátodo y el ánodo.
Aplicación en electrolitos sólidos
Con el rápido desarrollo de la industria de los vehículos eléctricos, los terminales de consumo exigen cada vez mayores prestaciones a las baterías eléctricas. La mejora de la densidad de energía de masa de las baterías tradicionales de iones de litio ha encontrado un cuello de botella, y los problemas de seguridad de las baterías de iones de litio en condiciones de alta temperatura y abuso son prominentes. Para cumplir los requisitos de alta densidad energética y seguridad, el desarrollo de batería de estado sólido la tecnología es imprescindible.
A diferencia de los electrolitos líquidos, los materiales electrolíticos sólidos tienen una gran dureza y cierta resistencia mecánica, lo que ejerce un importante efecto inhibidor sobre el crecimiento de las dendritas de litio. El litio metálico puede utilizarse como electrodo en baterías de estado sólido, por lo que la densidad energética de las baterías puede aumentar considerablemente.
En la investigación de electrolitos poliméricos en estado sólido, se han estudiado ampliamente muchos electrolitos poliméricos basados en sales metálicas disueltas en poliéteres, especialmente PEO. Su conductividad eléctrica suele ser baja a temperatura ambiente, y la adición de nanoóxidos no sólo puede aumentar la conductividad del polímero, sino también mejorar su estabilidad.
La elevada superficie específica del Al2O3 puede mantener eficazmente el electrolito líquido y facilitar la adsorción de trazas de impurezas residuales, mejorando así la compatibilidad del electrolito polimérico compuesto con el metal Li.
Conclusión
La alúmina de alta pureza es una materia prima importante, y se utiliza cada vez más en materiales de electrodos de baterías de litio, materiales de diafragma y electrolitos sólidos. La introducción de la alúmina no sólo es beneficiosa para la mejora del rendimiento electroquímico de los materiales de electrodos, sino que también favorece la mejora de la seguridad de las baterías. Con la profundización de la investigación, se profundizará aún más la aplicación de la alúmina en las baterías de litio.
