С бързото развитие на новата енергийна индустрия, търсенето на високопроизводителни литиеви батерии нараства. Въпреки че материали като литиево-железен фосфат (LFP) и троен литий заемат доминиращо положение, пространството за подобряване на енергийната им плътност е ограничено и тяхната безопасност все още се нуждае от допълнително оптимизиране. Напоследък съединенията на основата на цирконий, особено циркониев тетрахлорид (ZrCl₄) и неговите производни постепенно се превърнаха в гореща точка на изследване поради потенциала им за подобряване на жизнения цикъл и безопасността на литиевите батерии.
Потенциал и предимства на циркониевия тетрахлорид
Приложението на циркониев тетрахлорид и неговите производни в литиеви батерии се отразява главно в следните аспекти:
1. Подобряване на ефективността на йонния трансфер:Проучвания показват, че добавките в металоорганичната рамка (MOF) с ниско координирани Zr⁴⁺ позиции могат значително да подобрят ефективността на трансфер на литиеви йони. Силното взаимодействие между Zr⁴⁺ позициите и солватната обвивка на литиевите йони може да ускори миграцията на литиеви йони, като по този начин подобри скоростта на пренос и живота на батерията.
2. Подобрена стабилност на интерфейса:Производните на циркониевия тетрахлорид могат да регулират солватационната структура, да подобрят стабилността на интерфейса между електрода и електролита и да намалят появата на странични реакции, като по този начин подобрят безопасността и експлоатационния живот на батерията.
Баланс между цена и производителност: В сравнение с някои скъпи твърди електролитни материали, цената на суровината за циркониев тетрахлорид и неговите производни е сравнително ниска. Например, цената на суровината за твърди електролити като литиево-циркониев оксихлорид (Li1.75ZrCl4.75O0.5) е само 11.6 долара/кг, което е много по-ниско от традиционните твърди електролити.
Сравнение с литиево-железен фосфат и троен литий
Литиево-железният фосфат (LFP) и тройният литий са основните материали за литиеви батерии в момента, но всеки от тях има своите предимства и недостатъци. Литиево-железният фосфат е известен с високата си безопасност и дълъг живот, но енергийната му плътност е ниска; тройният литий има висока енергийна плътност, но безопасността му е сравнително слаба. За разлика от това, циркониевият тетрахлорид и неговите производни се представят добре за подобряване на ефективността на йонния трансфер и стабилността на интерфейса и се очаква да компенсират недостатъците на съществуващите материали.
Пречки и предизвикателства при комерсиализацията
Въпреки че циркониевият тетрахлорид е показал голям потенциал в лабораторните изследвания, неговата комерсиализация все още е изправена пред някои предизвикателства:
1. Зрялост на процеса:В момента производственият процес на циркониев тетрахлорид и неговите производни все още не е напълно усъвършенстван и стабилността и постоянството на мащабното производство все още се нуждаят от допълнителна проверка.
2. Контрол на разходите:Въпреки че цената на суровините е ниска, в реалното производство е необходимо да се вземат предвид ценови фактори като процес на синтез и инвестиции в оборудване.
Пазарно приемане: Литиево-железният фосфат и тройният литий вече заемат голям пазарен дял. Като нововъзникващ материал, циркониевият тетрахлорид трябва да покаже достатъчно предимства по отношение на производителността и цената, за да получи пазарно признание.
Бъдещи перспективи
Циркониевият тетрахлорид и неговите производни имат широки перспективи за приложение в литиевите батерии. С непрекъснатото развитие на технологиите се очаква производственият му процес да бъде допълнително оптимизиран и разходите постепенно да намалеят. В бъдеще се очаква циркониевият тетрахлорид да допълни материали като литиево-железен фосфат и троен литий, и дори да постигне частично заместване в определени специфични сценарии на приложение.
| Елемент | Спецификация |
| Външен вид | Бял блестящ кристален прах |
| Чистота | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Как ZrCl₄ подобрява безопасността на батериите?
1. Инхибира растежа на литиеви дендрити
Растежът на литиеви дендрити е една от важните причини за късо съединение и термично претоварване на литиевите батерии. Циркониевият тетрахлорид и неговите производни могат да инхибират образуването и растежа на литиеви дендрити чрез регулиране на свойствата на електролита. Например, някои добавки на базата на ZrCl₄ могат да образуват стабилен интерфейсен слой, който предотвратява проникването на литиеви дендрити в електролита, като по този начин намалява риска от късо съединение.
2. Повишаване на термичната стабилност на електролита
Традиционните течни електролити са склонни към разлагане при високи температури, отделяйки топлина и причинявайки термично претоварване.Циркониев тетрахлориди неговите производни могат да взаимодействат с компонентите в електролита, за да подобрят термичната му стабилност. Този подобрен електролит е по-труден за разграждане при високи температури, като по този начин намалява рисковете за безопасността на батерията при условия на висока температура.
3. Подобрете стабилността на интерфейса
Циркониевият тетрахлорид може да подобри стабилността на интерфейса между електрода и електролита. Чрез образуване на защитен филм върху повърхността на електрода, той може да намали страничните реакции между материала на електрода и електролита, като по този начин подобри общата стабилност на батерията. Тази стабилност на интерфейса е от решаващо значение за предотвратяване на влошаване на производителността и проблеми с безопасността на батерията по време на зареждане и разреждане.
4. Намалете запалимостта на електролита
Традиционните течни електролити обикновено са лесно запалими, което увеличава риска от пожар в батерията при условия на злоупотреба. Циркониев тетрахлорид и неговите производни могат да се използват за разработване на твърди електролити или полутвърди електролити. Тези електролитни материали обикновено имат по-ниска запалимост, като по този начин значително намаляват риска от пожар и експлозия в батерията.
5. Подобряване на възможностите за управление на температурата на батериите
Циркониевият тетрахлорид и неговите производни могат да подобрят възможностите за управление на температурата на батериите. Чрез подобряване на топлопроводимостта и термичната стабилност на електролита, батерията може да разсейва топлината по-ефективно при работа с високи натоварвания, като по този начин намалява възможността за термично претоварване.
6. Предотвратете термичното изтичане на материалите на положителните електроди
В някои случаи, термичното изпускане на материалите на положителните електроди е един от ключовите фактори, водещи до проблеми с безопасността на батериите. Циркониевият тетрахлорид и неговите производни могат да намалят риска от термично изпускане чрез регулиране на химичните свойства на електролита и намаляване на реакцията на разлагане на материала на положителния електрод при високи температури.
Време на публикуване: 29 април 2025 г.