Зі швидким розвитком нової енергетичної галузі зростає попит на високопродуктивні літієві батареї. Хоча такі матеріали, як літій-залізофосфат (ЛЗФ) та потрійний літій, займають домінуюче становище, простір для покращення їхньої щільності енергії обмежений, а їхня безпека все ще потребує подальшої оптимізації. Останнім часом сполуки на основі цирконію, особливо тетрахлорид цирконію (ZrCl₄) та його похідні поступово стали об'єктом досліджень завдяки їхньому потенціалу у покращенні терміну служби та безпеки літієвих батарей.
Потенціал та переваги тетрахлориду цирконію
Застосування тетрахлориду цирконію та його похідних у літієвих батареях головним чином відображається в таких аспектах:
1. Підвищення ефективності переносу іонів:Дослідження показали, що добавки металоорганічного каркасу (MOF) з низькокоординованими сайтами Zr⁴⁺ можуть значно покращити ефективність переносу іонів літію. Сильна взаємодія між сайтами Zr⁴⁺ та оболонкою сольватації іонів літію може прискорити міграцію іонів літію, тим самим покращуючи швидкісні характеристики та термін служби акумулятора.
2. Покращена стабільність інтерфейсу:Похідні тетрахлориду цирконію можуть регулювати структуру сольватації, підвищувати стабільність інтерфейсу між електродом та електролітом і зменшувати виникнення побічних реакцій, тим самим покращуючи безпеку та термін служби акумулятора.
Баланс між вартістю та продуктивністю: Порівняно з деякими дорогими твердими електролітними матеріалами, вартість сировини для тетрахлориду цирконію та його похідних є відносно низькою. Наприклад, вартість сировини для твердих електролітів, таких як оксихлорид літію цирконію (Li1.75ZrCl4.75O0.5), становить лише 11,6 доларів США/кг, що значно нижче, ніж для традиційних твердих електролітів.
Порівняння з фосфатом літію-заліза та потрійним літієм
Літій-залізофосфат (ЛЗФ) та потрійний літій є основними матеріалами для літієвих акумуляторів наразі, але кожен з них має свої переваги та недоліки. Літій-залізофосфат відомий своєю високою безпекою та тривалим терміном служби, але його щільність енергії низька; потрійний літій має високу щільність енергії, але його безпека відносно слабка. На противагу цьому, тетрахлорид цирконію та його похідні добре підвищують ефективність переносу іонів та стабільність інтерфейсу, і очікується, що вони компенсують недоліки існуючих матеріалів.
Вузькі місця та проблеми комерціалізації
Хоча тетрахлорид цирконію продемонстрував великий потенціал у лабораторних дослідженнях, його комерціалізація все ще стикається з деякими труднощами:
1. Зрілість процесу:Наразі процес виробництва тетрахлориду цирконію та його похідних ще не повністю відпрацьований, а стабільність та послідовність великомасштабного виробництва все ще потребують подальшої перевірки.
2. Контроль витрат:Хоча вартість сировини низька, у реальному виробництві необхідно враховувати такі фактори вартості, як процес синтезу та інвестиції в обладнання.
Прийняття на ринку: Фосфат літію-заліза та потрійний літій вже зайняли значну частку ринку. Як новий матеріал, тетрахлорид цирконію повинен продемонструвати достатні переваги в продуктивності та вартості, щоб отримати визнання на ринку.
Перспективи на майбутнє
Тетрахлорид цирконію та його похідні мають широкі перспективи застосування в літієвих батареях. З постійним розвитком технологій очікується подальша оптимізація процесу його виробництва, а вартість поступово знижуватиметься. У майбутньому очікується, що тетрахлорид цирконію доповнить такі матеріали, як фосфат літію-заліза та потрійний літій, і навіть частково замінить їх у певних конкретних сценаріях застосування.
| Елемент | Специфікація |
| Зовнішній вигляд | Білий блискучий кристалічний порошок |
| Чистота | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Як ZrCl₄ покращує безпеку акумуляторів?
1. Пригнічують ріст дендритів літію
Зростання літієвих дендритів є однією з важливих причин короткого замикання та теплового розгону літієвих батарей. Тетрахлорид цирконію та його похідні можуть пригнічувати утворення та ріст літієвих дендритів, регулюючи властивості електроліту. Наприклад, деякі добавки на основі ZrCl₄ можуть утворювати стабільний інтерфейсний шар, що запобігає проникненню літієвих дендритів в електроліт, тим самим зменшуючи ризик короткого замикання.
2. Підвищення термічної стабільності електроліту
Традиційні рідкі електроліти схильні до розкладання за високих температур, виділяючи тепло та спричиняючи тепловий вихор.Тетрахлорид цирконіюта його похідні можуть взаємодіяти з компонентами електроліту, покращуючи його термічну стабільність. Цей покращений електроліт важче розкладається за високих температур, що знижує ризики для безпеки акумулятора в умовах високих температур.
3. Покращення стабільності інтерфейсу
Тетрахлорид цирконію може покращити стабільність поверхні між електродом та електролітом. Утворюючи захисну плівку на поверхні електрода, він може зменшити побічні реакції між матеріалом електрода та електролітом, тим самим покращуючи загальну стабільність акумулятора. Ця стабільність поверхні є вирішальною для запобігання погіршенню продуктивності та проблемам безпеки акумулятора під час заряджання та розряджання.
4. Зменшення займистості електроліту
Традиційні рідкі електроліти, як правило, легкозаймисті, що збільшує ризик займання акумулятора за умов зловживання. Тетрахлорид цирконію та його похідні можна використовувати для розробки твердих або напівтвердих електролітів. Ці електролітні матеріали, як правило, мають меншу займистість, що значно знижує ризик займання та вибуху акумулятора.
5. Покращення можливостей терморегуляції акумуляторів
Тетрахлорид цирконію та його похідні можуть покращити терморегуляторні властивості акумуляторів. Покращуючи теплопровідність та термостабільність електроліту, акумулятор може ефективніше розсіювати тепло під час роботи з високими навантаженнями, тим самим зменшуючи можливість теплового розгону.
6. Запобігання тепловому витоку матеріалів позитивного електрода
У деяких випадках теплове витікання матеріалів позитивного електрода є одним з ключових факторів, що призводять до проблем безпеки акумуляторів. Тетрахлорид цирконію та його похідні можуть зменшити ризик теплового витікання, регулюючи хімічні властивості електроліту та зменшуючи реакцію розкладання матеріалу позитивного електрода за високих температур.
Час публікації: 29 квітня 2025 р.