固態電解質關鍵原材料——氧化鋯

在新能源汽車快速發展的背景下，固態電池以其高安全性、長壽命和優異的性能，正逐漸嶄露頭角。固態電解質作為固態電池的關鍵核心材料之一，種類繁多，其中，石榴石型的固態電解質Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）自2007年被發現之后，便被認為是頗具前景的一類固態電解質材料，而其關鍵原材料之一——氧化鋯（ZrO₂），依據其卓越的性能，在LLZO固態電解質的研發中提供了至關重要的作用。

ZrO₂的基本特性

ZrO₂是一種耐高溫、高硬度、化學穩定性好的氧化物材料，具有較高的熔點和沸點，因此在高溫環境下能夠保持穩定的物理和化學性質，此外，ZrO₂還具有較低的熱膨脹系數和良好的電絕緣性能。這使得它成為LLZO固態電解質的首選原材料之一。

高硬度：ZrO₂的硬度僅次于金剛石，具有很高的耐磨性。

高熔點：ZrO₂的熔點非常高（2715℃），較高的熔點以及化學惰性使ZrO₂可作為較好的耐火材料。

優良的化學穩定性：ZrO₂對酸、堿等化學物質具有很好的抵抗性，不易被腐蝕。

良好的熱穩定性：ZrO₂在高溫下仍能保持較好的機械性能和化學穩定性。

強度與韌性相對大：ZrO₂作為一種陶瓷材料，具有較大的強度（可達1500MPa），雖然韌性和一些金屬相比有較大差距，但相比于其他陶瓷材料，氧化鋯具備較高的斷裂韌性，能夠在一定程度上抵抗外部沖擊和應力。

ZrO₂的制備

ZrO₂的制備工藝多樣，包括熱解法、溶膠-凝膠法、氣相沉積法等。其中，熱解法是最常用的制備方法之一。該方法通過將鋯英石等原料在高溫下與堿金屬或堿土金屬氧化物反應，生成鋯酸鹽，再經過酸洗、過濾、干燥等步驟得到ZrO₂粉末。此外，還可以通過摻雜不同的元素來調控ZrO₂的性能，以滿足不同固態電池的需求。

ZrO₂在固態電池中的應用

ZrO₂在固態電池中的應用主要體現在氧化物固態電解質中，如鋰鑭鋯氧（LLZO）和鋰鑭鋯鈦氧（LLZTO）等，它們以石榴石型晶體結構存在。在這些固態電解質中，ZrO₂占據了相當重要的比例，例如在LLZO燒結前的質量中，ZrO₂約占25%。此外，為了降低固態電池中的界面電阻和提高鋰離子遷移效率，正負極材料通常需要涂覆LLZO等材料，同時，氧化物半固態電池還需要構建一層由LLZO等材料構成的陶瓷隔膜，這進一步增加了ZrO₂在固態電池中的用量。

目前，國內許多固態電解質相關企業，例如清陶能源、藍固新能源、山東創魯、天目先導、合源鋰創等均對LLZO固態電解質有所涉及。三祥新材、東方鋯業等鋯材料領域的企業，也在積極關注并持續跟進氧化物固態電池的研究進展，并向部分客戶、科研團隊提供了樣品，為固態電池的研發提供幫助，以推動鋯基固態電池技術的應用和發展。

ZrO₂的未來展望

隨著固態電池技術的不斷發展和應用領域的拓展，ZrO₂作為固態電解質原材料的需求將持續增長。未來，通過進一步優化制備工藝、調控性能和降低成本等手段，ZrO₂有望在固態電池領域發揮更加重要的作用。同時，隨著新型固態電解質材料的不斷涌現，ZrO₂也將面臨更加激烈的競爭和挑戰。然而，憑借其獨特的性能和廣泛的應用前景，ZrO₂在固態電池領域仍將具有不可替代的地位。

參考來源：

氧化鋯特性及應用.3D打印AM增材制造

東方鋯業VS三祥新材之鋯基材料：固態電池電解質的理想材料之一.滬深京港

LLZO固態電解質原料：氧化鋯.介質材料

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