寻找“中国好粉材”之三祥新材氧氯化锆

【编者按】粉体材料工业属于支撑国民经济发展的基础性产业和赢得国际竞争优势的关键领域，近些年，国内粉体材料工业转型升级成效显著，综合实力稳步增长，国际竞争力持续增强，一些企业长期专注于粉体材料领域、生产技术工艺国际领先、从而成为全球细分市场领导者的典范，有效改善了国内高端粉材的紧缺局面，提升了核心工艺技术与装备的自主可控水平以及关键战略资源的保障能力。中国粉体网通过寻找“中国好粉材”这一活动，以期促进相关企业更好发挥示范作用，引领中国粉体工业的发展，并让“好粉材”发出它们更大的光彩。

21世纪最有前途的高新材料之一——氧氯化锆

氧氯化锆又名氯化锆酰，其分子式为ZrOCl2· 8H2O，分子量322. 25，为白色针状晶体，加热至150℃失去6个结晶水，至210℃失去全部结晶水。溶于水、甲醇、乙醇、醚，不溶于其它有机溶剂，微溶于盐酸，水溶液呈酸性。

来源：三祥新材官网

氧氯化锆是生产锆化合物制品的中间产品，主要应用于生产高纯氧化锆、高纯纳米复合氧化锆等，也适用于纺织、皮革、橡胶添加剂等，是重要的精细化工原料。高纯氧化锆、高纯纳米复合氧化锆因其具有独特的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高强度、无毒害及光学性能，被广泛应用于光学玻璃、生物陶瓷（牙齿、骨关节等）、汽车尾气净化及电子元器件等制造领域；在航天航空、国防军工等领域，用来制造超高温隔热防护材料、燃料电池及陶瓷基复合增强材料等，是极为重要的国防军工材料。由氧氯化锆为原料生产的锆系列产品被列为21世纪最有前途的高新材料之一，研究应用领域日益拓宽。

氧氯化锆在镍氢动力电池负极材料和燃料电池中有广阔应用前景，以ZrM2为代表的AB2型储氢合金具有储氢容量高、循环寿命长等优点，是目前高容量新型储氢电极合金的研究开发热点。绝大多数固体氧化物燃料电池均以6%-10%三氧化二钇掺杂的氧化锆为固体电解质，两者的粉料或混合粉料可由氧氯化锆和硝酸钇单独或混合物水解法制备。

超强全固态锂电池电解质——氧氯化锆锂的问世

6月27日，中国科技大学马骋教授团队开发出一种新型固态电解质——氧氯化锆锂，该成果发表在国际著名学术期刊《Nature Communications》上。据了解，该新型电解质综合性能与目前最先进的硫化物、氯化物固态电解质相近，但成本不到后者的4%，适合进行产业化应用。

据研究报道，为了满足实际应用的需求，全固态锂电池的固态电解质至少需要同时具备三个条件：

① 高离子电导率——室温下超过1毫西门子每厘米，

② 良好的可变形性——250至350兆帕下实现90%以上致密，

③ 以及足够低廉的成本——低于50美元每公斤。

目前的无机固态电解质可分为三类：氧化物、硫化物和氯化物。这三类材料都无法同时满足以上三个条件。比如，氧化物作为脆性陶瓷，普遍不具备可变形性。相比之下，硫化物和氯化物在特定压力下都能变形，而且也相对容易达到较高的离子电导率。但是，用于合成硫化物的原材料Li2S价格较高，其原材料成本不低于$196.25/kg。而氯化物想要达到较高的离子电导率，几乎都需要使用稀土或铟基氯化物等昂贵原料进行合成，因此原材料成本也相当高，大多在$190/kg以上。

氧氯化锆锂的室温离子电导率高达2.42毫西门子/厘米（mS cm-1），超过了所需的1mS cm-1。与此同时，它良好的可变形性使材料在300MPa压力下能达到94.2%致密，并且，由氧氯化锆锂和高镍三元正极组成的全固态电池，在12分钟快速充电的条件下，成功地在室温稳定循环2000圈以上。

除此之外，作为原料的氧氯化锆、LiCl、ZrCl4价格低廉，LZCO的原材料成本仅$7/kg，远低于$50/kg这一确保固态电池市场竞争力的门槛。

2021年马骋教授团队曾报道过固态电解质氯化锆锂（Li2ZrCl6）。该种材料不含稀土元素或铟，因此原材料成本低于$50/kg。但该材料离子电导率较低，只有0.5mS cm-1左右，无法满足离子传输效率上的要求。而今，终于有了氧氯化锆锂这种理想的材料。

而马骋教授论文的审稿人认为这一发现“很有新意和原创性”，并且认为氧氯化锆锂材料“很有前景”，“有益于固态电池技术的商业化”。

从论文和实验室的结果来看，氧氯化锆锂的问世很完美地解决了固态电解质的材料问题。不过，氧氯化锆锂这样的固态电解质材料，何时实现量产还是一个未知的问题。

一直以来，找到这种材料和量产应用这种材料，还是有相当距离的。毕竟，由于固态电解质难以兼顾性能和成本，量产仍面临巨大阻碍。

值得注意的是，给中科大提供样品的上市公司三祥新材，对外界的回复称，“公司采用国内首创的沸腾氯化工艺生产氧氯化锆，设计产能可达10万吨，项目一期已全面投产。公司有向中科大等科研团队提供公司样品，处于实验初步阶段。”

锆产品龙头企业——三祥新材

三祥新材股份有限公司始创于1988年，系国家高新技术企业、工信部专精特新“小巨人”企业、全国文明单位和全国模范劳动关系和谐企业。于2016年8月在上交所主板A股发行上市。设有CNAS国家认可实验室、博士后科研工作站、省级企业技术中心、省级氧化锆材料重点实验室和省级锆材料工程研究中心。

三祥新材成立三十多年，一直坚持节能环保的绿色经营理念，依法诚信经营，专注于新材料的研发、生产和销售，已形成“锆系、镁系和先进陶瓷系”三大业务板块，并持续延链拓展，产品主要涵盖氧化锆、纳米氧化锆、金属锆、氧氯化锆、铸改新材料、单晶电熔铝、锆基非晶合金（液态金属）、镁铝合金等150多个品种。产品被广泛应用于核能、冶金、化工、电子通讯、新能源、光伏、建筑、医疗及汽车等领域，业务遍及全球30多个国家和地区。

经过多年发展，公司已在锆系制品上形成良好的协同关系，形成了以电熔氧化锆和化学锆为中心的两条产业链。

在电熔氧化锆业务中，全资子公司杨梅州电力建设水电站，提供上游能源支持；下游依靠子公司辽宁华锆生产海绵锆，主要原材料自给自足，形成了良好的协同和一体化效应。

在化学锆领域，公司的氧氯化锆项目正在推进中，同时为了更好拓宽高附加产品，投资的氧氯化锆的下游产业纳米氧化锆已顺利投产。纳米氧化锆具有抗热震性强、耐高温、化学稳定性好、材料复合性突出等特点，不仅应用于结构陶瓷和功能陶瓷领域，也应用于提高金属材料的表面特性（热传导性、抗热震性、抗高温氧化性等）。

纳米氧化锆应用领域广泛，未来增长在于5G基站滤波器、手机背板和种植牙等领域。三祥新材的纳米氧化锆主要用于结构陶瓷（如氧化锆磨介、砂磨机陶瓷配件、陶瓷轴承、手机背板等）、生物陶瓷（如锆义齿及医用生物植入体）、耐高温涂层（如飞机发动机及燃气轮机热障涂层，使用温度高于2000℃）及功能陶瓷（如氧传感器及固体燃料电池膜电极）等领域。

氧氯化锆作为化学氧化锆主要原料，其传统“碱熔法”工艺长期存在环保问题，污染治理成本高，备受环保部门关注，三祥新材采用的沸腾氯化工艺制备氧氯化锆有效解决了环保“三废”问题。

参考来源：

1. Hu, Lv, et al. A cost-effective, ionically conductive and compressible oxychloride solid-state electrolyte for stable all-solid-state lithium-based batteries.Nature Communications 14.1 (2023): 3807.

2. 黄淑梅等.中国氧氯化锆产业现状及发展对策

3. 陈丹云等.氧氯化锆应用研究进展

4. 粉体网.新材料成本直降96%！氧氯化锆锂电解质破解固态电池产业化难题

5. 三祥新材股份有限公司官网

【寻找“中国好粉材”活动简介】

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