Amb el ràpid desenvolupament de la nova indústria energètica, la demanda de bateries de liti d'alt rendiment està creixent. Tot i que materials com el fosfat de ferro i liti (LFP) i el liti ternari ocupen una posició dominant, el seu espai de millora de la densitat d'energia és limitat i encara cal optimitzar-ne la seguretat. Recentment, els compostos basats en zirconi, especialment el tetraclorur de zirconi (ZrCl₄) i els seus derivats, s'han convertit gradualment en un tema candent de recerca a causa del seu potencial per millorar la vida útil i la seguretat de les bateries de liti.
Potencial i avantatges del tetraclorur de zirconi
L'aplicació del tetraclorur de zirconi i els seus derivats en bateries de liti es reflecteix principalment en els aspectes següents:
1. Millora de l'eficiència de la transferència d'ions:Els estudis han demostrat que els additius d'estructura metall-orgànica (MOF) amb llocs Zr⁴⁺ de baixa coordinació poden millorar significativament l'eficiència de transferència dels ions de liti. La forta interacció entre els llocs Zr⁴⁺ i la beina de solvatació d'ions de liti pot accelerar la migració dels ions de liti, millorant així el rendiment de la velocitat i la vida útil del cicle de la bateria.
2. Estabilitat de la interfície millorada:Els derivats de tetraclorur de zirconi poden ajustar l'estructura de solvatació, millorar l'estabilitat de la interfície entre l'elèctrode i l'electròlit i reduir l'aparició de reaccions secundàries, millorant així la seguretat i la vida útil de la bateria.
Equilibri entre cost i rendiment: en comparació amb alguns materials electrolítics sòlids d'alt cost, el cost de la matèria primera del tetraclorur de zirconi i els seus derivats és relativament baix. Per exemple, el cost de la matèria primera dels electròlits sòlids com l'oxiclorur de liti i zirconi (Li1.75ZrCl4.75O0.5) és de només 11,6 $/kg, molt inferior al dels electròlits sòlids tradicionals.
Comparació amb fosfat de ferro i liti i liti ternari
El fosfat de liti i ferro (LFP) i el liti ternari són els materials principals per a les bateries de liti actualment, però cadascun té els seus propis avantatges i desavantatges. El fosfat de liti i ferro és conegut per la seva alta seguretat i la seva llarga vida útil, però la seva densitat d'energia és baixa; el liti ternari té una alta densitat d'energia, però la seva seguretat és relativament feble. En canvi, el tetraclorur de zirconi i els seus derivats tenen un bon rendiment per millorar l'eficiència de transferència d'ions i l'estabilitat de la interfície, i s'espera que compensin les deficiències dels materials existents.
Colls d'ampolla i reptes de la comercialització
Tot i que el tetraclorur de zirconi ha demostrat un gran potencial en la investigació de laboratori, la seva comercialització encara s'enfronta a alguns reptes:
1. Maduresa del procés:Actualment, el procés de producció de tetraclorur de zirconi i els seus derivats encara no està completament madur, i encara cal verificar més l'estabilitat i la consistència de la producció a gran escala.
2. Control de costos:Tot i que el cost de les matèries primeres és baix, en la producció real cal tenir en compte factors de cost com el procés de síntesi i la inversió en equips.
Acceptació al mercat: el fosfat de ferro i liti i el liti ternari ja han ocupat una gran quota de mercat. Com a material emergent, el tetraclorur de zirconi ha de mostrar prou avantatges en rendiment i cost per obtenir reconeixement al mercat.
Perspectives de futur
El tetraclorur de zirconi i els seus derivats tenen àmplies perspectives d'aplicació en bateries de liti. Amb l'avanç continu de la tecnologia, s'espera que el seu procés de producció s'optimitzi encara més i que el cost disminueixi gradualment. En el futur, s'espera que el tetraclorur de zirconi complementi materials com el fosfat de ferro i liti i el liti ternari, i fins i tot aconsegueixi una substitució parcial en certs escenaris d'aplicació específics.
| Ítem | Especificació |
| Aspecte | Pols de cristall blanc brillant |
| Puresa | ≥99,5% |
| Zr | ≥38,5% |
| Hf | ≤100 ppm |
| SiO2 | ≤50 ppm |
| Fe2O3 | ≤150 ppm |
| Na2O | ≤50 ppm |
| TiO2 | ≤50 ppm |
| Al2O3 | ≤100 ppm |
Com millora el ZrCl₄ el rendiment de seguretat de les bateries?
1. Inhibeix el creixement de les dendrites de liti
El creixement de les dendrites de liti és una de les raons importants del curtcircuit i la fugida tèrmica de les bateries de liti. El tetraclorur de zirconi i els seus derivats poden inhibir la formació i el creixement de les dendrites de liti ajustant les propietats de l'electròlit. Per exemple, alguns additius basats en ZrCl₄ poden formar una capa d'interfície estable per evitar que les dendrites de liti penetrin a l'electròlit, reduint així el risc de curtcircuit.
2. Millorar l'estabilitat tèrmica de l'electròlit
Els electròlits líquids tradicionals són propensos a la descomposició a altes temperatures, alliberant calor i provocant una fuita tèrmica.tetraclorur de zirconii els seus derivats poden interactuar amb els components de l'electròlit per millorar l'estabilitat tèrmica de l'electròlit. Aquest electròlit millorat és més difícil de descompondre a altes temperatures, reduint així els riscos de seguretat de la bateria en condicions d'alta temperatura.
3. Millorar l'estabilitat de la interfície
El tetraclorur de zirconi pot millorar l'estabilitat de la interfície entre l'elèctrode i l'electròlit. En formar una pel·lícula protectora a la superfície de l'elèctrode, pot reduir les reaccions secundàries entre el material de l'elèctrode i l'electròlit, millorant així l'estabilitat general de la bateria. Aquesta estabilitat de la interfície és crucial per evitar la degradació del rendiment i els problemes de seguretat de la bateria durant la càrrega i la descàrrega.
4. Reduir la inflamabilitat de l'electròlit
Els electròlits líquids tradicionals són generalment altament inflamables, cosa que augmenta el risc d'incendi de la bateria en condicions d'abús. El tetraclorur de zirconi i els seus derivats es poden utilitzar per desenvolupar electròlits sòlids o electròlits semisòlids. Aquests materials electrolítics generalment tenen una inflamabilitat més baixa, cosa que redueix significativament el risc d'incendi i explosió de la bateria.
5. Millorar les capacitats de gestió tèrmica de les bateries
El tetraclorur de zirconi i els seus derivats poden millorar les capacitats de gestió tèrmica de les bateries. En millorar la conductivitat tèrmica i l'estabilitat tèrmica de l'electròlit, la bateria pot dissipar la calor de manera més eficaç quan funciona amb càrregues elevades, reduint així la possibilitat de fuga tèrmica.
6. Evitar la dispersió tèrmica dels materials d'elèctrode positiu
En alguns casos, la dispersió tèrmica dels materials de l'elèctrode positiu és un dels factors clau que condueixen a problemes de seguretat de la bateria. El tetraclorur de zirconi i els seus derivats poden reduir el risc de dispersió tèrmica ajustant les propietats químiques de l'electròlit i reduint la reacció de descomposició del material de l'elèctrode positiu a altes temperatures.
Data de publicació: 29 d'abril de 2025