ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมประสิทธิภาพสูงจึงเพิ่มขึ้น แม้ว่าวัสดุเช่นลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) และลิเธียมเทอร์นารีจะครองตำแหน่งที่โดดเด่น แต่พื้นที่ในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานยังมีจำกัด และความปลอดภัยของวัสดุเหล่านี้ยังต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมต่อไป เมื่อไม่นานมานี้ สารประกอบที่มีส่วนประกอบของเซอร์โคเนียม โดยเฉพาะเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์ (แซดซีอาร์ซีแอล₄) และอนุพันธ์ ได้กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัยเนื่องจากมีศักยภาพในการปรับปรุงอายุการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียม
ศักยภาพและข้อดีของเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์
การประยุกต์ใช้เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์ในแบตเตอรี่ลิเธียมสะท้อนให้เห็นในด้านต่อไปนี้เป็นหลัก:
1.การปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายโอนไอออน:การศึกษาวิจัยแสดงให้เห็นว่าสารเติมแต่งโครงสร้างโลหะอินทรีย์ (MOF) ที่มีไซต์ Zr⁴⁺ ที่มีการประสานงานต่ำสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายโอนของไอออนลิเธียมได้อย่างมีนัยสำคัญ ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างไซต์ Zr⁴⁺ และปลอกโซลเวชันของไอออนลิเธียมสามารถเร่งการเคลื่อนตัวของไอออนลิเธียมได้ จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
2. ปรับปรุงเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซ:อนุพันธ์เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์สามารถปรับโครงสร้างตัวทำละลาย เพิ่มเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ และลดการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียง จึงช่วยเพิ่มความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
ความสมดุลระหว่างต้นทุนและประสิทธิภาพ: เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่มีต้นทุนสูงบางชนิด ต้นทุนวัตถุดิบของเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์นั้นค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างเช่น ต้นทุนวัตถุดิบของอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง เช่น ลิเธียมเซอร์โคเนียมออกซีคลอไรด์ (Li1.75ZrCl4.75O0.5) อยู่ที่เพียง 11.6 ดอลลาร์สหรัฐฯ ต่อกิโลกรัม ซึ่งต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ของแข็งแบบดั้งเดิมมาก
การเปรียบเทียบกับลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและลิเธียมเทอร์นารี
ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) และลิเธียมเทอร์นารีเป็นวัสดุหลักสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบัน แต่แต่ละชนิดก็มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นที่รู้จักในเรื่องความปลอดภัยสูงและอายุการใช้งานยาวนาน แต่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ ในขณะที่ลิเธียมเทอร์นารีมีความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่ความปลอดภัยค่อนข้างอ่อนแอ ในทางตรงกันข้าม เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์มีประสิทธิภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพการถ่ายโอนไอออนและความเสถียรของอินเทอร์เฟซได้ดี และคาดว่าจะทดแทนข้อบกพร่องของวัสดุที่มีอยู่ได้
ปัญหาและอุปสรรคในการสร้างรายได้
แม้ว่าเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์จะแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยิ่งใหญ่ในการวิจัยในห้องปฏิบัติการ แต่การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ยังคงเผชิญกับความท้าทายบางประการ:
1.ความสมบูรณ์ของกระบวนการ:ในปัจจุบัน กระบวนการผลิตเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์ยังไม่สมบูรณ์ โดยความเสถียรและความสม่ำเสมอของการผลิตในปริมาณมากยังคงต้องได้รับการตรวจยืนยันเพิ่มเติม
2.การควบคุมต้นทุน:แม้ว่าต้นทุนของวัตถุดิบจะต่ำ แต่ในการผลิตจริง จำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต้นทุน เช่น กระบวนการสังเคราะห์และการลงทุนในอุปกรณ์
การยอมรับของตลาด: ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและลิเธียมเทอร์นารีได้ครองส่วนแบ่งตลาดขนาดใหญ่ไปแล้ว ในฐานะวัสดุใหม่ เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์จำเป็นต้องแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่เพียงพอในด้านประสิทธิภาพและต้นทุนเพื่อให้ได้รับการยอมรับในตลาด
แนวโน้มในอนาคต
เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์มีแนวโน้มการใช้งานในแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างกว้างขวาง ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง คาดว่ากระบวนการผลิตจะได้รับการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้นและต้นทุนจะลดลงเรื่อยๆ ในอนาคต คาดว่าเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์จะเข้ามาเสริมวัสดุ เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและลิเธียมเทอร์นารี และยังสามารถทดแทนบางส่วนในสถานการณ์การใช้งานเฉพาะบางอย่างได้อีกด้วย
| รายการ | ข้อมูลจำเพาะ |
| รูปร่าง | ผงคริสตัลสีขาวมันวาว |
| ความบริสุทธิ์ | ≥99.5% |
| Zr | ≥38.5% |
| Hf | ≤100ppm |
| ซิโอ2 | ≤50ppm |
| Fe2O3 | ≤150ppm |
| โซเดียม2โอ | ≤50ppm |
| ไทโอทู | ≤50ppm |
| อัล2โอ3 | ≤100ppm |
ZrCl₄ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยในแบตเตอรี่ได้อย่างไร
1. ยับยั้งการเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์
การเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียมเป็นหนึ่งในสาเหตุสำคัญของไฟฟ้าลัดวงจรและความร้อนสูงเกินของแบตเตอรี่ลิเธียม เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และสารอนุพันธ์สามารถยับยั้งการสร้างและการเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียมได้โดยการปรับคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ ตัวอย่างเช่น สารเติมแต่งบางชนิดที่มีส่วนประกอบเป็น ZrCl₄ สามารถสร้างชั้นอินเทอร์เฟซที่เสถียรเพื่อป้องกันไม่ให้เดนไดรต์ลิเธียมแทรกซึมเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ จึงช่วยลดความเสี่ยงของไฟฟ้าลัดวงจรได้
2. เพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์
อิเล็กโทรไลต์ของเหลวแบบดั้งเดิมมีแนวโน้มที่จะสลายตัวที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดความร้อน และทำให้เกิดภาวะอุณหภูมิควบคุมต่ำเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และสารอนุพันธ์ของสารนี้สามารถโต้ตอบกับส่วนประกอบในอิเล็กโทรไลต์เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์ได้ อิเล็กโทรไลต์ที่ได้รับการปรับปรุงนี้จะสลายตัวได้ยากขึ้นที่อุณหภูมิสูง จึงช่วยลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงได้
3. ปรับปรุงเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซ
เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์สามารถปรับปรุงเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ได้ โดยการสร้างฟิล์มป้องกันบนพื้นผิวของอิเล็กโทรด สามารถลดปฏิกิริยาข้างเคียงระหว่างวัสดุอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ได้ จึงทำให้เสถียรภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ดีขึ้น เสถียรภาพของอินเทอร์เฟซนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการป้องกันการเสื่อมประสิทธิภาพและปัญหาความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ
4. ลดการติดไฟของอิเล็กโทรไลต์
โดยทั่วไปแล้วอิเล็กโทรไลต์เหลวแบบดั้งเดิมจะติดไฟได้ง่าย ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้แบตเตอรี่ภายใต้สภาวะการใช้งานที่ไม่เหมาะสม เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และอนุพันธ์ของเซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์สามารถใช้ในการผลิตอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งหรือกึ่งของแข็งได้ โดยทั่วไปแล้ววัสดุอิเล็กโทรไลต์เหล่านี้จะมีความไวไฟต่ำกว่า จึงช่วยลดความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้และการระเบิดของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก
5. ปรับปรุงความสามารถในการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่
เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และสารอนุพันธ์สามารถปรับปรุงความสามารถในการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ได้ โดยการปรับปรุงการนำความร้อนและเสถียรภาพทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อทำงานภายใต้ภาระงานสูง จึงลดโอกาสที่ความร้อนจะหนีหายไป
6. ป้องกันการหนีความร้อนของวัสดุอิเล็กโทรดบวก
ในบางกรณี ความร้อนที่ไหลออกจากวัสดุอิเล็กโทรดบวกถือเป็นปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่นำไปสู่ปัญหาความปลอดภัยของแบตเตอรี่ เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์และสารอนุพันธ์สามารถลดความเสี่ยงของความร้อนที่ไหลออกจากวัสดุอิเล็กโทรดบวกได้โดยการปรับคุณสมบัติทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์และลดปฏิกิริยาการสลายตัวของวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่อุณหภูมิสูง
เวลาโพสต์ : 29 เม.ย. 2568