S rýchlym rozvojom nového energetického priemyslu rastie dopyt po vysokovýkonných lítiových batériách. Hoci materiály ako lítium-železitý fosforečnan (LFP) a ternárny lítium zaujímajú dominantné postavenie, priestor na zlepšenie ich energetickej hustoty je obmedzený a ich bezpečnosť je stále potrebné ďalej optimalizovať. V poslednej dobe sa zlúčeniny na báze zirkónia, najmä tetrachlorid zirkónia (ZrCl₄) a jeho deriváty sa postupne stali výskumným bodom kvôli ich potenciálu pri zlepšovaní životnosti a bezpečnosti lítiových batérií.
Potenciál a výhody tetrachloridu zirkoničitého
Použitie tetrachloridu zirkoničitého a jeho derivátov v lítiových batériách sa odráža najmä v nasledujúcich aspektoch:
1. Zlepšenie účinnosti prenosu iónov:Štúdie ukázali, že prísady do kovovo-organickej štruktúry (MOF) s nízko koordinovanými miestami Zr⁴⁺ môžu výrazne zlepšiť účinnosť prenosu lítiových iónov. Silná interakcia medzi miestami Zr⁴⁺ a solvatačným plášťom lítiových iónov môže urýchliť migráciu lítiových iónov, čím sa zlepší rýchlosť prenosu a životnosť batérie.
2. Vylepšená stabilita rozhrania:Deriváty tetrachloridu zirkoničitého môžu upraviť štruktúru solvatácie, zvýšiť stabilitu rozhrania medzi elektródou a elektrolytom a znížiť výskyt vedľajších reakcií, čím sa zlepší bezpečnosť a životnosť batérie.
Rovnováha medzi nákladmi a výkonom: V porovnaní s niektorými drahými tuhými elektrolytmi sú náklady na surovinu tetrachloridu zirkoničitého a jeho derivátov relatívne nízke. Napríklad náklady na surovinu pre tuhé elektrolyty, ako je oxychlorid lítno-zirkoničitý (Li1,75ZrCl4,75O0,5), sú iba 11,6 USD/kg, čo je oveľa menej ako pri tradičných tuhých elektrolytoch.
Porovnanie s lítium-železitým fosforečnanom a ternárnym lítiom
Lítium-železitý fosforečnan (LFP) a ternárne lítium sú v súčasnosti hlavnými materiálmi pre lítiové batérie, ale každý z nich má svoje výhody a nevýhody. Lítium-železitý fosforečnan je známy svojou vysokou bezpečnosťou a dlhou životnosťou, ale jeho hustota energie je nízka; ternárne lítium má vysokú hustotu energie, ale jeho bezpečnosť je relatívne slabá. Naproti tomu tetrachlorid zirkoničitý a jeho deriváty dobre fungujú pri zlepšovaní účinnosti prenosu iónov a stability rozhrania a očakáva sa, že vynahradia nedostatky existujúcich materiálov.
Úzke miesta a výzvy komercializácie
Hoci tetrachlorid zirkoničitý preukázal veľký potenciál v laboratórnom výskume, jeho komercializácia stále čelí určitým výzvam:
1. Zrelosť procesu:V súčasnosti nie je proces výroby tetrachloridu zirkoničitého a jeho derivátov úplne vyvinutý a stabilita a konzistentnosť veľkovýroby je ešte potrebné overiť.
2. Kontrola nákladov:Hoci sú náklady na suroviny nízke, pri skutočnej výrobe je potrebné zvážiť nákladové faktory, ako je proces syntézy a investície do zariadenia.
Prijatie na trhu: Fosforečnan lítny a ternárne lítium už obsadili veľký podiel na trhu. Ako nový materiál musí tetrachlorid zirkoničitý preukázať dostatočné výhody vo výkone a nákladoch, aby získal uznanie na trhu.
Výhľad do budúcnosti
Chlorid zirkoničitý a jeho deriváty majú široké uplatnenie v lítiových batériách. S neustálym pokrokom v technológii sa očakáva, že jeho výrobný proces sa bude ďalej optimalizovať a náklady sa budú postupne znižovať. V budúcnosti sa očakáva, že chlorid zirkoničitý bude dopĺňať materiály, ako je fosforečnan lítium-železitý a ternárny lítium, a v určitých špecifických aplikačných scenároch ich dokonca čiastočne nahrádzať.
| Položka | Špecifikácia |
| Vzhľad | Biely lesklý kryštálový prášok |
| Čistota | ≥99,5 % |
| Zr | ≥38,5 % |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Ako ZrCl₄ zlepšuje bezpečnosť batérií?
1. Inhibovať rast lítiových dendritov
Rast lítiových dendritov je jedným z dôležitých dôvodov skratu a tepelného úniku lítiových batérií. Chlorid zirkoničitý a jeho deriváty môžu inhibovať tvorbu a rast lítiových dendritov úpravou vlastností elektrolytu. Napríklad niektoré prísady na báze ZrCl₄ môžu tvoriť stabilnú medzivrstvu, ktorá zabraňuje prenikaniu lítiových dendritov do elektrolytu, čím sa znižuje riziko skratu.
2. Zlepšiť tepelnú stabilitu elektrolytu
Tradičné kvapalné elektrolyty sú náchylné na rozklad pri vysokých teplotách, uvoľňujú teplo a následne spôsobujú tepelný únik.Chlorid zirkoničitýa jeho deriváty môžu interagovať so zložkami v elektrolyte, čím sa zlepšuje tepelná stabilita elektrolytu. Tento vylepšený elektrolyt sa pri vysokých teplotách ťažšie rozkladá, čím sa znižujú bezpečnostné riziká batérie za podmienok vysokej teploty.
3. Zlepšite stabilitu rozhrania
Chlorid zirkoničitý môže zlepšiť stabilitu rozhrania medzi elektródou a elektrolytom. Vytvorením ochranného filmu na povrchu elektródy môže znížiť vedľajšie reakcie medzi materiálom elektródy a elektrolytom, čím sa zlepší celková stabilita batérie. Táto stabilita rozhrania je kľúčová pre prevenciu zníženia výkonu a bezpečnostných problémov batérie počas nabíjania a vybíjania.
4. Znížte horľavosť elektrolytu
Tradičné kvapalné elektrolyty sú vo všeobecnosti vysoko horľavé, čo zvyšuje riziko požiaru batérie pri nesprávnom používaní. Chlorid zirkoničitý a jeho deriváty sa môžu použiť na vývoj pevných alebo polotuhých elektrolytov. Tieto elektrolytické materiály majú vo všeobecnosti nižšiu horľavosť, čím výrazne znižujú riziko požiaru a výbuchu batérie.
5. Zlepšite schopnosti batérií riadiť teplotu
Chlorid zirkoničitý a jeho deriváty môžu zlepšiť tepelné vlastnosti batérií. Zlepšením tepelnej vodivosti a tepelnej stability elektrolytu môže batéria efektívnejšie odvádzať teplo pri prevádzke s vysokým zaťažením, čím sa znižuje možnosť tepelného úniku.
6. Zabráňte tepelnému úniku materiálov kladných elektród
V niektorých prípadoch je tepelný únik materiálov kladných elektród jedným z kľúčových faktorov vedúcich k problémom s bezpečnosťou batérií. Chlorid zirkoničitý a jeho deriváty môžu znížiť riziko tepelného úniku úpravou chemických vlastností elektrolytu a znížením rozkladnej reakcie materiálu kladnej elektródy pri vysokých teplotách.
Čas uverejnenia: 29. apríla 2025