С быстрым развитием новой энергетической отрасли растет спрос на высокопроизводительные литиевые батареи. Хотя такие материалы, как литий-железо-фосфат (LFP) и тройной литий, занимают доминирующее положение, их пространство для улучшения плотности энергии ограничено, а их безопасность все еще нуждается в дальнейшей оптимизации. В последнее время соединения на основе циркония, особенно тетрахлорид циркония (ZrCl₄) и его производные постепенно стали объектом исследований из-за их потенциала в улучшении срока службы и безопасности литиевых батарей.
Потенциал и преимущества тетрахлорида циркония
Применение тетрахлорида циркония и его производных в литиевых батареях находит свое отражение в следующих аспектах:
1.Повышение эффективности переноса ионов:Исследования показали, что добавки металлоорганического каркаса (MOF) с низкокоординированными участками Zr⁴⁺ могут значительно улучшить эффективность переноса ионов лития. Сильное взаимодействие между участками Zr⁴⁺ и сольватной оболочкой лития может ускорить миграцию ионов лития, тем самым улучшая производительность и циклический срок службы батареи.
2.Повышенная стабильность интерфейса:Производные тетрахлорида циркония способны регулировать структуру сольватации, повышать стабильность интерфейса между электродом и электролитом, а также уменьшать возникновение побочных реакций, тем самым повышая безопасность и срок службы батареи.
Баланс между стоимостью и производительностью: По сравнению с некоторыми дорогостоящими твердыми электролитными материалами, стоимость сырья тетрахлорида циркония и его производных относительно низкая. Например, стоимость сырья твердых электролитов, таких как литий-цирконий оксихлорид (Li1.75ZrCl4.75O0.5), составляет всего $11.6/кг, что намного ниже, чем у традиционных твердых электролитов.
Сравнение с литий-железо-фосфатом и тройным литием
Литий-железо-фосфат (LFP) и тернарный литий являются основными материалами для литиевых батарей в настоящее время, но каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Литий-железо-фосфат известен своей высокой безопасностью и длительным сроком службы, но его плотность энергии низкая; тернарный литий имеет высокую плотность энергии, но его безопасность относительно слаба. Напротив, тетрахлорид циркония и его производные хорошо работают в улучшении эффективности переноса ионов и стабильности интерфейса и, как ожидается, компенсируют недостатки существующих материалов.
Узкие места и проблемы коммерциализации
Хотя тетрахлорид циркония продемонстрировал большой потенциал в лабораторных исследованиях, его коммерциализация все еще сталкивается с некоторыми трудностями:
1.Зрелость процесса:В настоящее время процесс производства тетрахлорида циркония и его производных еще не полностью отработан, а стабильность и последовательность крупномасштабного производства еще требуют дальнейшей проверки.
2.Контроль затрат:Несмотря на то, что стоимость сырья невысока, при реальном производстве необходимо учитывать такие факторы затрат, как процесс синтеза и инвестиции в оборудование.
Принятие рынком: Литий-железо-фосфат и тройной литий уже заняли большую долю рынка. Как новый материал, тетрахлорид циркония должен продемонстрировать достаточные преимущества в производительности и стоимости, чтобы получить признание на рынке.
Перспективы будущего
Тетрахлорид циркония и его производные имеют широкие перспективы применения в литиевых батареях. Ожидается, что с непрерывным развитием технологий процесс его производства будет еще больше оптимизирован, а стоимость постепенно снизится. Ожидается, что в будущем тетрахлорид циркония будет дополнять такие материалы, как литий-железо-фосфат и тройной литий, и даже частично заменять их в определенных конкретных сценариях применения.
| Элемент | Спецификация |
| Появление | Белый блестящий кристаллический порошок |
| Чистота | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 частей на миллион |
| SiO2 | ≤50 частей на миллион |
| Fe2O3 | ≤150 частей на миллион |
| Na2O | ≤50 частей на миллион |
| TiO2 | ≤50 частей на миллион |
| Al2O3 | ≤100 частей на миллион |
Каким образом ZrCl₄ повышает безопасность аккумуляторов?
1. Подавляют рост литиевых дендритов
Рост литиевых дендритов является одной из важных причин короткого замыкания и теплового разгона литиевых батарей. Тетрахлорид циркония и его производные могут подавлять образование и рост литиевых дендритов, регулируя свойства электролита. Например, некоторые добавки на основе ZrCl₄ могут образовывать стабильный интерфейсный слой, предотвращая проникновение литиевых дендритов в электролит, тем самым снижая риск короткого замыкания.
2. Повышение термостабильности электролита.
Традиционные жидкие электролиты склонны к разложению при высоких температурах, что приводит к выделению тепла и последующему тепловому пробою.Тетрахлорид цирконияи его производные могут взаимодействовать с компонентами в электролите для улучшения термической стабильности электролита. Этот улучшенный электролит труднее разлагается при высоких температурах, тем самым снижая риски безопасности батареи в условиях высоких температур.
3. Улучшить стабильность интерфейса
Тетрахлорид циркония может улучшить стабильность интерфейса между электродом и электролитом. Образуя защитную пленку на поверхности электрода, он может уменьшить побочные реакции между материалом электрода и электролитом, тем самым улучшая общую стабильность батареи. Эта стабильность интерфейса имеет решающее значение для предотвращения ухудшения производительности и проблем безопасности батареи во время зарядки и разрядки.
4. Уменьшить воспламеняемость электролита
Традиционные жидкие электролиты, как правило, легко воспламеняются, что увеличивает риск возгорания батареи в условиях неправильного использования. Тетрахлорид циркония и его производные могут использоваться для разработки твердых электролитов или полутвердых электролитов. Эти электролитные материалы, как правило, имеют более низкую воспламеняемость, тем самым значительно снижая риск возгорания и взрыва батареи.
5. Улучшить возможности терморегулирования аккумуляторов.
Тетрахлорид циркония и его производные могут улучшить возможности терморегулирования аккумуляторов. Улучшая теплопроводность и термостабильность электролита, аккумулятор может более эффективно рассеивать тепло при работе с высокими нагрузками, тем самым снижая вероятность теплового разгона.
6. Предотвращение теплового разгона материалов положительного электрода.
В некоторых случаях тепловой разгон материалов положительного электрода является одним из ключевых факторов, приводящих к проблемам безопасности батареи. Тетрахлорид циркония и его производные могут снизить риск теплового разгона, регулируя химические свойства электролита и уменьшая реакцию разложения материала положительного электрода при высоких температурах.
Время публикации: 29-апр.-2025