固态电解质关键原材料——氧化锆

在新能源汽车快速发展的背景下，固态电池以其高安全性、长寿命和优异的性能，正逐渐崭露头角。固态电解质作为固态电池的关键核心材料之一，种类繁多，其中，石榴石型的固态电解质Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）自2007年被发现之后，便被认为是颇具前景的一类固态电解质材料，而其关键原材料之一——氧化锆（ZrO₂），依据其卓越的性能，在LLZO固态电解质的研发中提供了至关重要的作用。

ZrO₂的基本特性

ZrO₂是一种耐高温、高硬度、化学稳定性好的氧化物材料，具有较高的熔点和沸点，因此在高温环境下能够保持稳定的物理和化学性质，此外，ZrO₂还具有较低的热膨胀系数和良好的电绝缘性能。这使得它成为LLZO固态电解质的首选原材料之一。

高硬度：ZrO₂的硬度仅次于金刚石，具有很高的耐磨性。

高熔点：ZrO₂的熔点非常高（2715℃），较高的熔点以及化学惰性使ZrO₂可作为较好的耐火材料。

优良的化学稳定性：ZrO₂对酸、碱等化学物质具有很好的抵抗性，不易被腐蚀。

良好的热稳定性：ZrO₂在高温下仍能保持较好的机械性能和化学稳定性。

强度与韧性相对大：ZrO₂作为一种陶瓷材料，具有较大的强度（可达1500MPa），虽然韧性和一些金属相比有较大差距，但相比于其他陶瓷材料，氧化锆具备较高的断裂韧性，能够在一定程度上抵抗外部冲击和应力。

ZrO₂的制备

ZrO₂的制备工艺多样，包括热解法、溶胶-凝胶法、气相沉积法等。其中，热解法是最常用的制备方法之一。该方法通过将锆英石等原料在高温下与碱金属或碱土金属氧化物反应，生成锆酸盐，再经过酸洗、过滤、干燥等步骤得到ZrO₂粉末。此外，还可以通过掺杂不同的元素来调控ZrO₂的性能，以满足不同固态电池的需求。

ZrO₂在固态电池中的应用

ZrO₂在固态电池中的应用主要体现在氧化物固态电解质中，如锂镧锆氧（LLZO）和锂镧锆钛氧（LLZTO）等，它们以石榴石型晶体结构存在。在这些固态电解质中，ZrO₂占据了相当重要的比例，例如在LLZO烧结前的质量中，ZrO₂约占25%。此外，为了降低固态电池中的界面电阻和提高锂离子迁移效率，正负极材料通常需要涂覆LLZO等材料，同时，氧化物半固态电池还需要构建一层由LLZO等材料构成的陶瓷隔膜，这进一步增加了ZrO₂在固态电池中的用量。

目前，国内许多固态电解质相关企业，例如清陶能源、蓝固新能源、山东创鲁、天目先导、合源锂创等均对LLZO固态电解质有所涉及。三祥新材、东方锆业等锆材料领域的企业，也在积极关注并持续跟进氧化物固态电池的研究进展，并向部分客户、科研团队提供了样品，为固态电池的研发提供帮助，以推动锆基固态电池技术的应用和发展。

ZrO₂的未来展望

随着固态电池技术的不断发展和应用领域的拓展，ZrO₂作为固态电解质原材料的需求将持续增长。未来，通过进一步优化制备工艺、调控性能和降低成本等手段，ZrO₂有望在固态电池领域发挥更加重要的作用。同时，随着新型固态电解质材料的不断涌现，ZrO₂也将面临更加激烈的竞争和挑战。然而，凭借其独特的性能和广泛的应用前景，ZrO₂在固态电池领域仍将具有不可替代的地位。

参考来源：

氧化锆特性及应用.3D打印AM增材制造

东方锆业VS三祥新材之锆基材料：固态电池电解质的理想材料之一.沪深京港

LLZO固态电解质原料：氧化锆.介质材料

粉体网、网络公开信息等

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