S brzim razvojem nove energetske industrije, potražnja za visokoučinkovitim litijumskim baterijama raste. Iako materijali poput litijum željeznog fosfata (LFP) i ternarnog litijuma zauzimaju dominantnu poziciju, prostor za poboljšanje njihove energetske gustine je ograničen, a njihova sigurnost i dalje treba biti optimizirana. Nedavno su se pojavili spojevi na bazi cirkonijuma, posebno cirkonijum tetrahlorid (ZrCl₄) i njegovi derivati, postepeno su postali žarište istraživanja zbog svog potencijala u poboljšanju životnog vijeka i sigurnosti litijumskih baterija.
Potencijal i prednosti cirkonijum tetrahlorida
Primjena cirkonijum tetrahlorida i njegovih derivata u litijumskim baterijama uglavnom se ogleda u sljedećim aspektima:
1. Poboljšanje efikasnosti prenosa jona:Studije su pokazale da aditivi metalorganskog okvira (MOF) sa nisko koordiniranim Zr⁴⁺ mjestima mogu značajno poboljšati efikasnost prijenosa litijum jona. Jaka interakcija između Zr⁴⁺ mjesta i omotača solvatacije litijum jona može ubrzati migraciju litijum jona, čime se poboljšavaju performanse brzine i vijek trajanja baterije.
2. Poboljšana stabilnost interfejsa:Derivati cirkonijum tetrahlorida mogu prilagoditi strukturu solvatacije, poboljšati stabilnost međupovršine između elektrode i elektrolita i smanjiti pojavu nuspojava, čime se poboljšava sigurnost i vijek trajanja baterije.
Ravnoteža između cijene i performansi: U poređenju s nekim skupim čvrstim elektrolitnim materijalima, cijena sirovine za cirkonijum tetrahlorid i njegove derivate je relativno niska. Na primjer, cijena sirovine za čvrste elektrolite kao što je litijum cirkonijum oksihlorid (Li1.75ZrCl4.75O0.5) iznosi samo 11,6 dolara/kg, što je znatno niže od tradicionalnih čvrstih elektrolita.
Poređenje sa litijum-željezo-fosfatom i ternarnim litijumom
Litijum željezo fosfat (LFP) i ternarni litijum su trenutno glavni materijali za litijum baterije, ali svaki od njih ima svoje prednosti i nedostatke. Litijum željezo fosfat je poznat po svojoj visokoj sigurnosti i dugom vijeku trajanja, ali mu je gustina energije niska; ternarni litijum ima visoku gustinu energije, ali mu je sigurnost relativno slaba. Nasuprot tome, cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati dobro se pokazuju u poboljšanju efikasnosti prenosa jona i stabilnosti međupovršine, te se očekuje da će nadoknaditi nedostatke postojećih materijala.
Uska grla i izazovi komercijalizacije
Iako je cirkonijum tetrahlorid pokazao veliki potencijal u laboratorijskim istraživanjima, njegova komercijalizacija se i dalje suočava s nekim izazovima:
1. Zrelost procesa:Trenutno, proces proizvodnje cirkonijum tetrahlorida i njegovih derivata još nije u potpunosti razrađen, a stabilnost i konzistentnost proizvodnje velikih razmjera još uvijek treba dodatno provjeriti.
2. Kontrola troškova:Iako je cijena sirovina niska, u stvarnoj proizvodnji potrebno je uzeti u obzir faktore troškova poput procesa sinteze i ulaganja u opremu.
Prihvatanje na tržištu: Litijum-željezni fosfat i ternarni litijum već su zauzeli veliki udio na tržištu. Kao materijal u nastajanju, cirkonijum-tetrahlorid treba da pokaže dovoljne prednosti u performansama i troškovima kako bi stekao priznanje na tržištu.
Budući izgledi
Cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati imaju široke mogućnosti primjene u litijum baterijama. Kontinuiranim napretkom tehnologije, očekuje se da će se njegov proizvodni proces dodatno optimizirati, a troškovi postepeno smanjivati. U budućnosti se očekuje da će cirkonijum tetrahlorid dopunjavati materijale kao što su litijum željezo fosfat i ternarni litijum, pa čak i postići djelimičnu zamjenu u određenim specifičnim scenarijima primjene.
| Stavka | Specifikacija |
| Izgled | Bijeli sjajni kristalni prah |
| Čistoća | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Kako ZrCl₄ poboljšava sigurnosne performanse baterija?
1. Inhibiraju rast litijum dendrita
Rast litijum dendrita je jedan od važnih razloga kratkog spoja i termičkog preopterećenja litijum baterija. Cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati mogu inhibirati stvaranje i rast litijum dendrita podešavanjem svojstava elektrolita. Na primjer, neki aditivi na bazi ZrCl₄ mogu formirati stabilan međusloj kako bi spriječili prodiranje litijum dendrita u elektrolit, čime se smanjuje rizik od kratkog spoja.
2. Poboljšajte termičku stabilnost elektrolita
Tradicionalni tečni elektroliti skloni su raspadanju na visokim temperaturama, oslobađajući toplotu i potom uzrokujući termalni bijeg.Cirkonijum tetrahloridi njegovi derivati mogu stupiti u interakciju s komponentama u elektrolitu kako bi poboljšali termičku stabilnost elektrolita. Ovaj poboljšani elektrolit se teže razgrađuje na visokim temperaturama, čime se smanjuju sigurnosni rizici za bateriju u uslovima visoke temperature.
3. Poboljšajte stabilnost interfejsa
Cirkonijum tetrahlorid može poboljšati stabilnost međupovršine između elektrode i elektrolita. Formiranjem zaštitnog filma na površini elektrode, može smanjiti sporedne reakcije između materijala elektrode i elektrolita, čime se poboljšava ukupna stabilnost baterije. Ova stabilnost međupovršine je ključna za sprječavanje degradacije performansi i sigurnosnih problema baterije tokom punjenja i pražnjenja.
4. Smanjite zapaljivost elektrolita
Tradicionalni tečni elektroliti su uglavnom lako zapaljivi, što povećava rizik od požara baterije u uslovima zloupotrebe. Cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati mogu se koristiti za razvoj čvrstih ili polučvrstih elektrolita. Ovi elektrolitski materijali uglavnom imaju nižu zapaljivost, čime značajno smanjuju rizik od požara i eksplozije baterije.
5. Poboljšajte mogućnosti upravljanja temperaturom baterija
Cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati mogu poboljšati sposobnosti upravljanja toplotom baterija. Poboljšanjem toplotne provodljivosti i toplotne stabilnosti elektrolita, baterija može efikasnije odvesti toplotu pri radu pod velikim opterećenjima, čime se smanjuje mogućnost termičkog gubitka.
6. Spriječite termalno prelijevanje materijala pozitivnih elektroda
U nekim slučajevima, termički gubitak materijala pozitivnih elektroda jedan je od ključnih faktora koji dovode do problema sa sigurnošću baterija. Cirkonijum tetrahlorid i njegovi derivati mogu smanjiti rizik od termičkog gubitka podešavanjem hemijskih svojstava elektrolita i smanjenjem reakcije razgradnje materijala pozitivne elektrode na visokim temperaturama.
Vrijeme objave: 29. april 2025.