中國粉體網(wǎng)訊  氧化鋯是鋯的主要氧化物，通常狀況下為白色無臭無味晶體，難溶于水、鹽酸和稀硫酸。它化學(xué)性質(zhì)不活潑，且具有高熔點、高硬度、高折射率和低熱膨脹系數(shù)的性質(zhì)，使它成為一種極其重要的耐高溫材料和陶瓷材料。

圖片來源：蘇州優(yōu)鋯納米材料有限公司

近年來，隨著鋰電池的飛速發(fā)展以及對固體氧化物燃料電池研究的不斷深入，氧化鋯在電池中的應(yīng)用潛力不斷被開發(fā)出來，在電池的三大系統(tǒng)電解質(zhì)、電極材料、隔膜材料中均扮演重要角色。

電解質(zhì)

固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換體系，它可將燃料氣體和氧化氣體的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能，并具有發(fā)電效率高，啟動時間短，應(yīng)答速度快，體積小，污染低，易于組裝和維護等優(yōu)點，被譽為繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和核能發(fā)電之后的一種高效、節(jié)能、環(huán)保型發(fā)電技術(shù)。SOFC的開發(fā)與應(yīng)用已成為當(dāng)前新材料和新能源領(lǐng)域的一個研究熱點。

在SOFC中，電解質(zhì)的選擇和制備是最重要的環(huán)節(jié)之一。SOFC要求電解質(zhì)具有高的離子電導(dǎo)率(≥0.1S/cm)，低的電子遷移數(shù)(<10^-3)，與電極材料、氧和燃氣保持化學(xué)穩(wěn)定，在一個較寬的溫度和氧分壓范圍內(nèi)保持熱力學(xué)穩(wěn)定，與其它電池組件在熱膨脹系數(shù)上匹配，具有良好的氣密性以及適宜的力學(xué)性能等。這些性能要求限制了電解質(zhì)材料的選擇范圍，目前只能限于以氧化物為基體的陶瓷材料。

立方相的氧化鋯具有良好的高溫氧離子傳輸性能，在SOFC中可作為固體電解質(zhì)材料使用。氧化鋯基電解質(zhì)屬于高溫電解質(zhì)，而高的操作溫度易引起電極燒結(jié)、電池組件材料在界面處的相互擴散、熱膨脹失配、性能的快速老化等問題。減小電解質(zhì)的厚度能夠降低電池的歐姆損耗，因此使用氧化鋯基電解質(zhì)薄膜是降低電池操作溫度而保持高性能的有效途徑。

正極材料添加劑

近幾年，納米氧化鋯作為添加劑被用于三元材料（即鎳鈷錳酸鋰Li(NiCoMn)O₂），鈷酸鋰（LiCoO₂），錳酸鋰（LiMn₂O₄）等鋰電池正極材料，可顯著提高電池的循環(huán)性能，倍率性能等，受到產(chǎn)學(xué)研各方面的重視。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，ZrO₂摻雜后的電極材料放電比容量都明顯提高，這可能與ZrO₂摻雜后材料的粒徑變小相關(guān)，顆粒尺寸變小后在充放電過程中材料的脫嵌更加容易，所以摻雜后材料的放電比容量上升。隨著充放電的進行，一定量的摻雜離子Zr⁴⁺還可能遷移到電極表面并形成固溶體，防止了由于充放電期間各向異性結(jié)構(gòu)變化引起的結(jié)構(gòu)坍塌，同時固溶體還充當(dāng)保護涂層防止了鈷溶解到電解質(zhì)中，因此，材料結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程的相變期間變得非常穩(wěn)定，循環(huán)穩(wěn)定性增強。

此外，在鎳氫電池正極中加入ZrO₂可以抑制高溫下正極容量的下降，且隨著ZrO₂含量的增加，電極的高溫性能也有所提高，進而提高電池在高溫下的充電效率。

隔膜材料

隔膜作為鋰離子電池的重要組件，占整個電池成本的30％左右。隔膜的主要作用是將電池的正極和負極分隔以及對電子絕緣，防止正負極直接接觸或發(fā)生電子傳導(dǎo)導(dǎo)致電池發(fā)生短路。其次，隔膜能夠允許鋰離子自由通過從而完成電池的充放電。因此，隔膜不僅影響電池的放電性能和電池容量，更與鋰離子電池的安全性能有密切的關(guān)系。除此之外，隔膜還具有自關(guān)閉效應(yīng)，在溫度升高和電流過大時，能夠在一定程度上保護電池，不會發(fā)生火災(zāi)或者爆炸等安全事故。

氧化鋯纖維能夠有效提高隔膜的熱穩(wěn)定性和對電解液的浸潤性，增強電池的安全性能和放電性能。王增昊采用抄造紙技術(shù)制備了氧化鋯纖維和PVDF復(fù)合的纖維紙用于鋰離子電池隔膜，發(fā)現(xiàn)ZrO₂／PVDF纖維紙具有豐富的孔隙。

參考來源：

[1]王增昊.氧化鋯纖維紙的制備及其在電池隔膜上的應(yīng)用研究

[2]黃曉巍等.氧化鋯基固體電解質(zhì)的研究進展

[3]王輝.鋰離子電池高鎳三元正極材料的LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂合成及改性研究

[4]歐陽靜等.氧化鋯(ZrO₂)的電、光性質(zhì)與應(yīng)用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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