المادة الخام الرئيسية للإلكتروليتات الصلبة – الزركونيا

ZrO2 عبارة عن مادة أكسيد ذات مقاومة درجات الحرارة العالية، وصلابة عالية وثبات كيميائي جيد. لديها نقطة انصهار ونقطة غليان عالية، لذلك يمكنها الحفاظ على خواص فيزيائية وكيميائية مستقرة في بيئة ذات درجة حرارة عالية. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي ZrO2 أيضًا على معامل تمدد حراري منخفض وخصائص عزل كهربائي جيدة. وهذا يجعلها واحدة من المواد الخام المفضلة للإلكتروليت الصلب LLZO.

صلابة عالية: صلابة ZrO2 تأتي في المرتبة الثانية بعد الماس، وتتميز بمقاومة عالية للتآكل.

نقطة انصهار عالية: نقطة انصهار ZrO2 عالية جدًا (2715 درجة مئوية). نقطة الانصهار العالية والخمول الكيميائي تجعل ZrO2 مادة حرارية جيدة.

استقرار كيميائي ممتاز: يتمتع ZrO2 بمقاومة جيدة للمواد الكيميائية مثل الأحماض والقلويات ولا يتآكل بسهولة.

ثبات حراري جيد: لا يزال بإمكان ZrO2 الحفاظ على خواص ميكانيكية جيدة وثبات كيميائي عند درجات حرارة عالية.

قوة وصلابة كبيرة نسبيًا: يتمتع ZrO2، كمادة خزفية، بقوة كبيرة (تصل إلى 1500 ميجا باسكال). على الرغم من أن المتانة أقل بكثير من بعض المعادن، مقارنة بالمواد الخزفية الأخرى، فإن أكسيد الزركونيوم يتمتع بصلابة أعلى للكسر ويمكنه مقاومة التأثير الخارجي والإجهاد إلى حد ما.

هناك عمليات تحضير مختلفة لـ ZrO2، بما في ذلك الانحلال الحراري، والسول-جيل، وترسيب البخار، وما إلى ذلك. ومن بينها، يعد الانحلال الحراري أحد طرق التحضير الأكثر استخدامًا. تقوم هذه الطريقة بتفاعل الزركون والمواد الخام الأخرى مع الفلز القلوي أو أكاسيد الفلز القلوي الترابي عند درجة حرارة عالية لتوليد الزركونات، ومن ثم الحصول على مسحوق ZrO2 من خلال الغسيل الحمضي، والترشيح، والتجفيف وخطوات أخرى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تنظيم أداء ZrO2 عن طريق تطعيم عناصر مختلفة لتلبية احتياجات بطاريات الحالة الصلبة المختلفة.

ينعكس تطبيق ZrO2 في بطاريات الحالة الصلبة بشكل أساسي في الشوارد الصلبة للأكسيد، مثل أكسيد الزركونيوم الليثيوم اللانثانوم (LLZO) وأكسيد التيتانيوم الزركونيوم الليثيوم اللانثانوم (LLZTO)، الموجودة في الهياكل البلورية من نوع العقيق. في هذه الإلكتروليتات الصلبة، يحتل ZrO2 نسبة مهمة جدًا. على سبيل المثال، في كتلة LLZO قبل التلبيد، يمثل ZrO2 حوالي 25%. بالإضافة إلى ذلك، من أجل تقليل مقاومة الواجهة في بطاريات الحالة الصلبة وتحسين كفاءة هجرة أيون الليثيوم، عادة ما تحتاج مواد القطب الموجب والسالب إلى أن تكون مغلفة بمواد مثل LLZO. وفي الوقت نفسه، تحتاج بطاريات الأكسيد شبه الصلبة أيضًا إلى بناء طبقة من الغشاء الخزفي المكون من مواد مثل LLZO، مما يزيد من كمية ZrO2 المستخدمة في بطاريات الحالة الصلبة.

ومع التطوير المستمر لتكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة وتوسيع مجالات تطبيقها، فإن الطلب على ZrO2 كمادة خام إلكتروليتية صلبة سوف يستمر في النمو. ومن المتوقع أن يلعب ZrO2 في المستقبل دورًا أكثر أهمية في مجال بطاريات الحالة الصلبة من خلال تحسين عملية الإعداد وتنظيم الأداء وخفض التكاليف. وفي الوقت نفسه، ومع الظهور المستمر لمواد إلكتروليتية جديدة ذات حالة صلبة، سيواجه ZrO2 أيضًا منافسة وتحديات أكثر شدة. ومع ذلك، بفضل خصائصه الفريدة وآفاق تطبيقه الواسعة، سيظل ZrO2 يتمتع بمكانة لا يمكن استبدالها في مجال بطاريات الحالة الصلبة.