Katı elektrolitler için temel hammadde – Zirkonya
ZrO2, yüksek sıcaklık direncine, yüksek sertliğe ve iyi kimyasal stabiliteye sahip bir oksit malzemesidir. Yüksek erime noktasına ve kaynama noktasına sahiptir, bu nedenle yüksek sıcaklık ortamında sabit fiziksel ve kimyasal özellikleri koruyabilir. Ayrıca ZrO2 düşük bir termal genleşme katsayısına ve iyi elektriksel yalıtım özelliklerine de sahiptir. Bu, onu LLZO katı elektrolit için tercih edilen hammaddelerden biri yapar.
Yüksek sertlik: ZrO2’nin sertliği elmastan sonra ikinci sıradadır ve yüksek aşınma direncine sahiptir.
Yüksek erime noktası: ZrO2’nin erime noktası çok yüksektir (2715°C). Yüksek erime noktası ve kimyasal inertlik ZrO2’yi iyi bir refrakter malzeme haline getirir.
Mükemmel kimyasal stabilite: ZrO2, asitler ve alkaliler gibi kimyasallara karşı iyi bir dirence sahiptir ve kolayca korozyona uğramaz.
İyi termal stabilite: ZrO2, yüksek sıcaklıklarda hala iyi mekanik özellikleri ve kimyasal stabiliteyi koruyabilir.
Nispeten büyük mukavemet ve tokluk: ZrO2, seramik bir malzeme olarak büyük bir mukavemete sahiptir (1500MPa’ya kadar). Tokluğu bazı metallerin çok gerisinde olsa da diğer seramik malzemelerle karşılaştırıldığında zirkonyum oksitin kırılma dayanıklılığı daha yüksektir ve dış darbelere ve strese bir dereceye kadar dayanabilir.
ZrO2 için piroliz, sol-jel, buhar biriktirme vb. dahil olmak üzere çeşitli hazırlama işlemleri vardır. Bunlar arasında piroliz en yaygın kullanılan hazırlama yöntemlerinden biridir. Bu yöntem, zirkon ve diğer hammaddeleri alkali metal veya alkalin toprak metal oksitlerle yüksek sıcaklıkta reaksiyona sokarak zirkonat üretir ve daha sonra asitle yıkama, filtrasyon, kurutma ve diğer adımlar yoluyla ZrO2 tozu elde eder. Ayrıca ZrO2’nin performansı, farklı katı hal pillerinin ihtiyaçlarını karşılamak için farklı elementlerin katkılanmasıyla düzenlenebilir.
ZrO2’nin katı hal pillerinde uygulanması esas olarak, garnet tipi kristal yapılarda bulunan lityum lantan zirkonyum oksit (LLZO) ve lityum lantan zirkonyum titanyum oksit (LLZTO) gibi oksit katı elektrolitlere yansır. Bu katı elektrolitlerde ZrO2 çok önemli bir oranda bulunur. Örneğin, sinterlemeden önceki LLZO kütlesinde ZrO2 yaklaşık %25’i oluşturur. Ayrıca katı hal pillerdeki arayüz direncini azaltmak ve lityum iyon geçişinin verimliliğini artırmak için pozitif ve negatif elektrot malzemelerinin genellikle LLZO gibi malzemelerle kaplanması gerekir. Aynı zamanda oksit yarı katı pillerin LLZO gibi malzemelerden oluşan bir seramik diyafram tabakası oluşturması da gerekiyor, bu da katı hal pillerde kullanılan ZrO2 miktarını daha da artırıyor.
Katı hal pil teknolojisinin sürekli gelişmesi ve uygulama alanlarının genişlemesiyle birlikte, katı elektrolit hammaddesi olarak ZrO2’ye olan talep artmaya devam edecektir. Gelecekte ZrO2’nin, hazırlama sürecini daha da optimize ederek, performansı düzenleyerek ve maliyetleri azaltarak katı hal pilleri alanında daha önemli bir rol oynaması bekleniyor. Aynı zamanda yeni katı hal elektrolit malzemelerinin sürekli ortaya çıkmasıyla ZrO2 daha yoğun rekabet ve zorluklarla da karşı karşıya kalacak. Ancak benzersiz özellikleri ve geniş uygulama olanaklarıyla ZrO2, katı hal pilleri alanında hala yeri doldurulamaz bir konuma sahip olacaktır.