مواد خام کلیدی برای الکترولیت های جامد – زیرکونیا

ZrO2 یک ماده اکسیدی با مقاومت در برابر دمای بالا، سختی بالا و پایداری شیمیایی خوب است. نقطه ذوب و نقطه جوش بالایی دارد، بنابراین می تواند خواص فیزیکی و شیمیایی پایدار را در محیط با دمای بالا حفظ کند. علاوه بر این، ZrO2 همچنین دارای ضریب انبساط حرارتی پایین و خواص عایق الکتریکی خوبی است. این آن را به یکی از مواد اولیه ترجیحی برای الکترولیت جامد LLZO تبدیل می کند.

سختی بالا: سختی ZrO2 بعد از الماس در رتبه دوم قرار دارد و مقاومت در برابر سایش بالایی دارد.

نقطه ذوب بالا: نقطه ذوب ZrO2 بسیار بالا است (2715 ℃). نقطه ذوب بالا و بی اثری شیمیایی ZrO2 را به یک ماده نسوز خوب تبدیل می کند.

پایداری شیمیایی عالی: ZrO2 در برابر مواد شیمیایی مانند اسیدها و قلیاها مقاومت خوبی دارد و به راحتی خورده نمی شود.

پایداری حرارتی خوب: ZrO2 هنوز هم می تواند خواص مکانیکی و پایداری شیمیایی خوبی را در دماهای بالا حفظ کند.

استحکام و چقرمگی نسبتاً زیاد: ZrO2، به عنوان یک ماده سرامیکی، استحکام زیادی دارد (تا 1500MPa). اگرچه چقرمگی بسیار کمتر از برخی فلزات است، در مقایسه با سایر مواد سرامیکی، اکسید زیرکونیوم چقرمگی شکست بالاتری دارد و می تواند تا حدی در برابر ضربه و تنش خارجی مقاومت کند.

فرآیندهای آماده سازی مختلفی برای ZrO2 وجود دارد، از جمله پیرولیز، سل-ژل، رسوب بخار و غیره که در این میان، پیرولیز یکی از متداول ترین روش های آماده سازی است. این روش زیرکون و سایر مواد خام را با اکسیدهای فلز قلیایی یا فلز قلیایی خاکی در دمای بالا برای تولید زیرکونات واکنش می دهد و سپس از طریق اسیدشویی، فیلتراسیون، خشک کردن و مراحل دیگر پودر ZrO2 به دست می آید. علاوه بر این، عملکرد ZrO2 را می توان با دوپینگ عناصر مختلف برای رفع نیازهای باتری های مختلف حالت جامد تنظیم کرد.

کاربرد ZrO2 در باتری‌های حالت جامد عمدتاً در الکترولیت‌های جامد اکسید مانند اکسید زیرکونیوم لیتیوم لانتانیم (LLZO) و اکسید تیتانیوم زیرکونیوم لیتیوم لانتانیم (LLZTO) که در ساختارهای کریستالی نوع گارنت وجود دارند منعکس می‌شود. در این الکترولیت های جامد، ZrO2 نسبت بسیار مهمی را اشغال می کند. به عنوان مثال، در جرم LLZO قبل از تف جوشی، ZrO2 حدود 25٪ را تشکیل می دهد. علاوه بر این، به منظور کاهش مقاومت رابط در باتری های حالت جامد و بهبود راندمان مهاجرت یون لیتیوم، مواد الکترود مثبت و منفی معمولاً باید با موادی مانند LLZO پوشانده شوند. در عین حال، باتری‌های نیمه جامد اکسیدی نیز نیاز به ساخت لایه‌ای از دیافراگم سرامیکی متشکل از موادی مانند LLZO دارند که مقدار ZrO2 مورد استفاده در باتری‌های حالت جامد را افزایش می‌دهد.

با توسعه مداوم فن آوری باتری های حالت جامد و گسترش زمینه های کاربردی آن، تقاضا برای ZrO2 به عنوان یک ماده خام الکترولیت جامد به رشد خود ادامه خواهد داد. انتظار می رود در آینده، ZrO2 با بهینه سازی بیشتر فرآیند آماده سازی، تنظیم عملکرد و کاهش هزینه ها، نقش مهم تری در زمینه باتری های حالت جامد ایفا کند. در عین حال، با ظهور مداوم مواد جدید الکترولیت حالت جامد، ZrO2 نیز با رقابت و چالش های شدیدتری مواجه خواهد شد. با این حال، ZrO2 با ویژگی‌های منحصر به فرد خود و چشم‌اندازهای کاربردی گسترده، همچنان جایگاهی غیرقابل جایگزین در زمینه باتری‌های حالت جامد خواهد داشت.