氧化鋯珠：硅基負極性能飆升的秘密武器！

硅是一種硬脆難加工材料，通過濕法超細研磨可以規模化制備納米硅，用于高能量密度鋰離子電池負極。研磨介質通常是硬度高、耐性好的氧化鋯珠。

氧化鋯（ZrO2）是鋯元素的主要氧化物，化學性質不活潑，不溶于弱酸、弱堿，通常把直徑尺寸較大的氧化鋯研磨介質叫氧化鋯球，一般在3~10mm之間，尺寸較小的研磨介質叫氧化鋯珠，一般在0.05~1mm之間。高純度的氧化鋯粉為白色，氧化鋯密度大，研磨時候的沖擊力大，研磨效率高。

圖片來源：安徽凱盛應用

氧化鋯珠的工藝路線 

1.滾制成型

使用燒后氧化鋯粉體，結合糖衣機，先制備對應粒徑種子，通過糖衣機轉動，加氧化鋯粉體及噴灑粘結劑，形成相應粒徑的胚體，胚體經過烘干、燒結、選型、拋光的工序形成最終成品。 

滾制成型方式是目前市面上最常用的制備氧化鋯珠的方式，適合做0.2-1mm球。 

優點：產能高，一臺設備每個月3t左右；包含粉體+煅燒的成本，成本低；技術生產廠家多，設備及工藝路線很成熟。

缺點：制備<0.2mm球很難達到；球磨耗大，內外一致性差，隨著使用過程磨耗存在增大的趨勢。

2.壓制成型

使用燒結后氧化鋯粉體，結合相應尺寸的模具實現不同粒徑的球制備。將粉體加入到模具中，通過等靜壓的方式得到胚體，再經過燒結及拋光得到最終成品。

壓制成型適合做大球，是市面上做氧化鋯珠主要的方式。此種成型方式球一般都帶有“帽子”。 

優點：粒徑分布均一，使用統一模具，粒徑分布好；包含粉體+煅燒的成本，成本低；生產廠家多，設備及工藝路線很成熟。

缺點：<1m球很難達到；球磨耗大；一般帶有“帽子”，球形度欠佳。

3.濕法制備技術

濕法技術包括溶膠凝膠注模成型及溶膠凝膠成型方式。

溶膠注模成型主要是清華大學技術，獲得過國家發明專利二等獎，主要是針對陶瓷筆頭的應用。此種技術是使用氧化鋯粉體通過單體、交聯劑、催化劑、引發劑的共同作用形成胚體，再經過排膠、燒結、拋光的制備方法得到最終成品。 

溶膠凝膠技術是通過將鋯以離子的形式配成膠體，再通過先進的成型技術將膠體轉換成固相狀態，經過烘干、排膠、燒結得到最終的成品。

優點：溶膠通過統一規格的出口，粒徑分布較好；內部無氣孔，破碎強度，硬度等指標均優于其它工藝；不需要拋光，使用過程中磨耗不會出現增大趨勢；可以實現0.05mm及以上規格球批量制備。

缺點：工藝復雜，成本較高。

氧化鋯珠對硅基負極的影響

1、氧化鋯珠研磨對硅基負極材料結構的影響 

①研磨后，硅粉粒徑顯著減小，粒徑分布更為均勻。可緩解充放電過程中體積膨脹帶來的機械應力。 

②研磨后能夠促進硅粉與導電添加劑、粘結劑的均勻混合，提高電極結構的整體均勻性和致密性。 

③研磨后硅基負極材料表面更加平整，有利于形成穩定的導電網絡。 

2、氧化鋯珠研磨對硅基負極電化學性能的影響 

①容量表現：研磨后的硅基負極材料在首次循環中往往表現出較高的比容量。硅顆粒尺寸減小和分布均勻，更多的活性位點暴露，有利于鋰離子的嵌入與脫嵌。

②循環穩定性：經過氧化鋯珠處理的硅基負極在多次充放電循環后容量衰減速度明顯減緩，可以延長了循環使用壽命。 

③充放電速率性能：氧化鋯珠處理改善了硅基負極的倍率性能。納米級顆粒和均勻的材料分布降低了鋰離子和電子在電極中的擴散距離，提高了動力學反應速率。在較高充放電速率下，材料仍能保持較高的容量輸出，滿足實際應用中對快充快放的需求。

3、氧化鋯珠對硅基負極制備工藝的影響 

氧化鋯珠的引入不僅影響材料性能，也對制備工藝提出了新的要求。球磨時間和球磨速度需要精確控制，以避免過度機械損傷導致材料結構破壞。氧化鋯珠的尺寸和用量也是關鍵參數，合適的氧化鋯珠比例能夠實現受歡迎的細化效果，同時避免材料混入過多雜質。

信息來源：

龔喜.氧化鋯珠磨損對濕法超細研磨制備納米硅的影響研究

安徽凱盛應用材料有限公司：納米氧化鋯微球的制備、表征及在硅碳負極的助力

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