Met de snelle ontwikkeling van de nieuwe energiesector groeit de vraag naar hoogwaardige lithiumbatterijen. Hoewel materialen zoals lithiumijzerfosfaat (LFP) en ternair lithium een dominante positie innemen, is de ruimte voor verbetering van de energiedichtheid beperkt en moet hun veiligheid nog verder worden geoptimaliseerd. Recent zijn verbindingen op basis van zirkonium, met name zirkoniumtetrachloride (ZrCl₄) en de derivaten daarvan, zijn geleidelijk aan een populair onderzoeksgebied geworden vanwege hun potentieel om de levensduur en de veiligheid van lithium-ionbatterijen te verbeteren.
Potentieel en voordelen van zirkoniumtetrachloride
De toepassing van zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan in lithiumbatterijen komt vooral tot uiting in de volgende aspecten:
1. Verbetering van de ionenoverdrachtsefficiëntie:Studies hebben aangetoond dat additieven voor metaalorganische roosters (MOF's) met laaggecoördineerde Zr⁴⁺-plaatsen de overdrachtsefficiëntie van lithiumionen aanzienlijk kunnen verbeteren. De sterke interactie tussen Zr⁴⁺-plaatsen en de lithiumionsolvatatiemantel kan de migratie van lithiumionen versnellen, waardoor de prestaties en de levensduur van de batterij worden verbeterd.
2. Verbeterde interfacestabiliteit:Zirkoniumtetrachloridederivaten kunnen de solvatatiestructuur aanpassen, de stabiliteit van de interface tussen de elektrode en de elektrolyt verbeteren en het optreden van nevenreacties verminderen, waardoor de veiligheid en de levensduur van de batterij worden verbeterd.
Evenwicht tussen kosten en prestaties: Vergeleken met sommige dure vaste elektrolytmaterialen zijn de grondstofkosten van zirkoniumtetrachloride en zijn derivaten relatief laag. Zo bedragen de grondstofkosten van vaste elektrolyten zoals lithiumzirconiumoxychloride (Li1,75ZrCl4,75O0,5) slechts $ 11,6 per kg, wat aanzienlijk lager is dan die van traditionele vaste elektrolyten.
Vergelijking met lithiumijzerfosfaat en ternair lithium
Lithium-ijzerfosfaat (LFP) en ternair lithium zijn momenteel de meest voorkomende materialen voor lithiumbatterijen, maar ze hebben elk hun eigen voor- en nadelen. Lithium-ijzerfosfaat staat bekend om zijn hoge veiligheid en lange levensduur, maar de energiedichtheid is laag; ternair lithium heeft een hoge energiedichtheid, maar is relatief onveilig. Zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan presteren daarentegen goed in het verbeteren van de ionenoverdrachtsefficiëntie en de interfacestabiliteit, en zullen naar verwachting de tekortkomingen van bestaande materialen compenseren.
Knelpunten en uitdagingen bij commercialisering
Hoewel zirkoniumtetrachloride een groot potentieel heeft getoond in laboratoriumonderzoek, kent de commercialisering ervan nog steeds een aantal uitdagingen:
1. Procesvolwassenheid:Momenteel is het productieproces van zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan nog niet volledig ontwikkeld. De stabiliteit en consistentie van productie op grote schaal moeten nog verder worden geverifieerd.
2.Kostenbeheersing:Hoewel de kosten van grondstoffen laag zijn, moet bij de daadwerkelijke productie rekening worden gehouden met kostenfactoren zoals het syntheseproces en de investering in apparatuur.
Marktacceptatie: Lithium-ijzerfosfaat en ternair lithium hebben al een groot marktaandeel. Als opkomend materiaal moet zirkoniumtetrachloride voldoende voordelen op het gebied van prestaties en kosten laten zien om markterkenning te krijgen.
Toekomstperspectief
Zirkoniumtetrachloride en zijn derivaten hebben brede toepassingsmogelijkheden in lithiumbatterijen. Met de voortdurende technologische vooruitgang wordt verwacht dat het productieproces verder zal worden geoptimaliseerd en de kosten geleidelijk zullen dalen. In de toekomst zal zirkoniumtetrachloride naar verwachting materialen zoals lithiumijzerfosfaat en ternair lithium aanvullen en in bepaalde specifieke toepassingsscenario's zelfs gedeeltelijke vervanging bereiken.
| Item | Specificatie |
| Verschijning | Wit glanzend kristalpoeder |
| Zuiverheid | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Hoe verbetert ZrCl₄ de veiligheidsprestaties van batterijen?
1. Remt de groei van lithiumdendrieten
De groei van lithiumdendrieten is een van de belangrijkste oorzaken van kortsluiting en thermische ontlading in lithiumbatterijen. Zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan kunnen de vorming en groei van lithiumdendrieten remmen door de eigenschappen van de elektrolyt aan te passen. Sommige additieven op basis van ZrCl₄ kunnen bijvoorbeeld een stabiele interfacelaag vormen om te voorkomen dat lithiumdendrieten de elektrolyt binnendringen, waardoor het risico op kortsluiting wordt verminderd.
2. Verbeter de thermische stabiliteit van de elektrolyt
Traditionele vloeibare elektrolyten hebben de neiging om bij hoge temperaturen te ontbinden, waarbij warmte vrijkomt en thermische runaway optreedt.Zirkoniumtetrachlorideen de derivaten ervan kunnen interageren met de componenten in de elektrolyt om de thermische stabiliteit ervan te verbeteren. Deze verbeterde elektrolyt is moeilijker af te breken bij hoge temperaturen, waardoor de veiligheidsrisico's van de batterij bij hoge temperaturen worden verminderd.
3. Verbeter de stabiliteit van de interface
Zirkoniumtetrachloride kan de stabiliteit van de interface tussen de elektrode en de elektrolyt verbeteren. Door een beschermende film op het oppervlak van de elektrode te vormen, kunnen nevenreacties tussen het elektrodemateriaal en de elektrolyt worden verminderd, wat de algehele stabiliteit van de batterij verbetert. Deze stabiliteit van de interface is cruciaal om prestatievermindering en veiligheidsproblemen van de batterij tijdens het laden en ontladen te voorkomen.
4. Verminder de ontvlambaarheid van de elektrolyt
Traditionele vloeibare elektrolyten zijn over het algemeen licht ontvlambaar, wat het risico op batterijbrand bij verkeerd gebruik vergroot. Zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan kunnen worden gebruikt om vaste of halfvaste elektrolyten te ontwikkelen. Deze elektrolytmaterialen zijn over het algemeen minder ontvlambaar, waardoor het risico op batterijbrand en -explosie aanzienlijk wordt verminderd.
5. Verbeter de thermische beheermogelijkheden van batterijen
Zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan kunnen de thermische beheersing van batterijen verbeteren. Door de thermische geleidbaarheid en thermische stabiliteit van de elektrolyt te verbeteren, kan de batterij warmte effectiever afvoeren bij hoge belasting, waardoor de kans op thermische runaway wordt verkleind.
6. Voorkom thermische uitloop van positieve elektrodematerialen
In sommige gevallen is thermische runaway van positieve elektrodematerialen een van de belangrijkste factoren die leiden tot problemen met de batterijveiligheid. Zirkoniumtetrachloride en derivaten daarvan kunnen het risico op thermische runaway verminderen door de chemische eigenschappen van de elektrolyt aan te passen en de ontledingsreactie van het positieve elektrodemateriaal bij hoge temperaturen te verminderen.
Plaatsingstijd: 29-04-2025