고체전해질의 핵심원료 – 지르코니아

ZrO2는 고온 저항성, 높은 경도 및 우수한 화학적 안정성을 갖춘 산화물 재료입니다. 녹는점과 끓는점이 높아 고온 환경에서도 안정적인 물리적, 화학적 특성을 유지할 수 있습니다. 또한 ZrO2는 열팽창 계수가 낮고 전기 절연성이 우수합니다. 이는 LLZO 고체 전해질의 선호되는 원료 중 하나입니다.

높은 경도: ZrO2의 경도는 다이아몬드 다음으로 높으며 내마모성이 높습니다.

높은 융점: ZrO2의 융점은 매우 높습니다(2715℃). 높은 융점과 화학적 불활성으로 인해 ZrO2는 우수한 내화물이 됩니다.

우수한 화학적 안정성: ZrO2는 산, 알칼리 등의 화학물질에 대한 저항성이 우수하고 쉽게 부식되지 않습니다.

우수한 열 안정성: ZrO2는 고온에서도 우수한 기계적 특성과 화학적 안정성을 유지할 수 있습니다.

상대적으로 큰 강도와 인성: ZrO2는 세라믹 재료로서 강도가 높습니다(최대 1500MPa). 인성이 다른 세라믹 재료에 비해 일부 금속보다 훨씬 뒤떨어져 있지만 산화지르코늄은 파괴 인성이 더 높고 외부 충격과 응력에 어느 정도 저항할 수 있습니다.

ZrO2 제조 공정에는 열분해, 졸-겔, 증착 등 다양한 공정이 있으며, 그 중 열분해는 가장 일반적으로 사용되는 제조 방법 중 하나입니다. 이 방법은 지르콘 및 기타 원료를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 산화물과 고온에서 반응시켜 지르콘산염을 생성한 후 산 세척, 여과, 건조 및 기타 단계를 거쳐 ZrO2 분말을 얻는 방법입니다. 또한 ZrO2의 성능은 다양한 전고체 배터리의 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 원소를 도핑하여 조절할 수 있습니다.

전고체 배터리에서의 ZrO2 적용은 가넷형 결정 구조에 존재하는 리튬 란타늄 지르코늄 산화물(LLZO), 리튬 란타늄 지르코늄 티타늄 산화물(LLZTO)과 같은 산화물 고체 전해질에 주로 반영됩니다. 이러한 고체 전해질에서 ZrO2는 매우 중요한 비율을 차지합니다. 예를 들어 소결 전 LLZO의 질량 중 ZrO2가 약 25%를 차지한다. 또한, 전고체 배터리의 계면저항을 낮추고 리튬이온 이동 효율을 높이기 위해서는 일반적으로 양극재와 음극재를 LLZO 등의 소재로 코팅해야 한다. 동시에 산화물 반고체 배터리는 LLZO와 같은 재료로 구성된 세라믹 다이어프램 층을 구성해야 하며, 이로 인해 전고체 배터리에 사용되는 ZrO2의 양이 더욱 증가합니다.

전고체전지 기술의 지속적인 발전과 응용분야의 확대로 인해 고체전해질 원료인 ZrO2에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것입니다. 앞으로 ZrO2는 준비 공정을 더욱 최적화하고 성능을 조절하며 비용을 절감함으로써 전고체 배터리 분야에서 더욱 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다. 동시에 새로운 고체 전해질 물질이 지속적으로 등장함에 따라 ZrO2도 더욱 치열한 경쟁과 도전에 직면하게 될 것입니다. 그러나 ZrO2는 고유한 특성과 광범위한 응용 가능성을 통해 전고체 배터리 분야에서 여전히 대체할 수 없는 위치를 차지할 것입니다.