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        【原創(chuàng)】高鎳三元正極材料的技術痛點!


        來源:中國粉體網(wǎng)   墨玉

        [導讀]  高鎳NCM正極材料高鎳NCM正極材料具有高容量、低成本和原料來源豐富等優(yōu)點,是一種極有應用前景的鋰離子電池材料。鎳含量越高,材料的容量也越大。但是Ni含量升高后,高鎳三元正極材料會帶來一系列棘手的技術問題。

        中國粉體網(wǎng)訊  高鎳NCM正極材料具有高容量、低成本和原料來源豐富等優(yōu)點,是一種極有應用前景的鋰離子電池材料。


        高鎳三元正極材料的容量主要來自Ni2+/Ni4+氧化還原,所以鎳含量越高,材料的容量也越大。但是Ni含量升高后,高鎳三元正極材料會帶來一系列棘手的技術問題。


        1.形成非化學計量比材料


        高鎳三元正極材料的主要原料是氫氧化物前驅體,Ni以Ni2+的形式存在。


        燒結過程中,通過高溫及氧化氣氛將Ni2+氧化為Ni3+,然而Ni2+轉變成Ni3+的能壘較高,即使是純氧條件下也難以完全氧化。剩余的Ni2+仍將占據(jù)3b位,使得陽離子電荷降低,為了保持電荷平衡,部分Ni2+會占據(jù)3a位(替代部分Li+),形成非計量比材料。


        為了促進Ni2+的氧化而升高溫度,但是鋰的揮發(fā)量隨溫度的升高呈指數(shù)上升,導致形成非計量比材料。


        高鎳三元正極材料在高溫下結構不穩(wěn)定,循環(huán)過程中生成不再有鋰離子脫嵌活性的立方巖鹽相。


        2.總堿量高導致對濕度敏感


        鎳含量越高,總堿量越高?倝A量高對其工業(yè)生產、儲存、運輸以及電池的制備都提出了更高的要求。當材料接觸空氣時,粉末材料的結構、形貌和成分發(fā)生變化,電化學性能逐漸下降,特別是暴露在潮濕的空氣中,這種現(xiàn)象尤為明顯。


         

        不同組分前驅體的適宜氨水濃度和pH值


        總堿量高意味著顆粒表面鋰殘渣較多,非常容易吸收空氣中的二氧化碳和水,發(fā)生如下反應:


         


        在顆粒表面形成Li2CO3和LiOH層,會有以下影響:

        • 消耗了材料中的Li,又不具備電化學活性,因此會造成容量衰減。

        • 顆粒表面致密的Li2CO3層阻礙Li的擴散,影響電池性能。

        • LiOH會與PVDF反應,對電池工藝和性能產生不利影響。

        • Li2CO3在充電狀態(tài)的高電位下容易分解產生CO2氣體,造成電池鼓包漏液問題。

        • LiOH也會與LiPF6反應,消耗電解液中的Li離子,產生HF氣體,它可以使電池內部的金屬零件腐蝕,進而使電池最終漏液。而且HF會破壞SEI膜。


        濕度對對極片制造工藝過程產生嚴重的影響:高鎳三元正極漿料在制備和涂布過程,環(huán)境濕度對其影響巨大,如果在工藝過程中吸水反應,特別容易造成漿料性質發(fā)生變化,導致極片制造過程出現(xiàn)品質不穩(wěn)定,工藝一致性差等問題,形成凝膠漿料時,甚至涂布過程無法進行。


        3.熱穩(wěn)定和安全性能差


        在商業(yè)化電解液中,當LiCoO2,LiNiO2和LiMn2O4三種材料充電至4.2V時,


        熱分解溫度依次是LiMn2O4>LiCoO2>LiNiO2

        放熱量依次是LiMn2O4<LiCoO2<LiNiO2


        材料在充電后鎳轉變?yōu)閺娧趸缘母邇r鎳,高價鎳會與電解質反應放出熱量和氣體,并且它本身也很不穩(wěn)定,受熱會分解并析出O2。當熱量和CO2、O2氣體在密閉的電池內部聚集到達到一定壓強時,就會造成爆炸。


        小結:高鎳三元材料的原料成本有所下降,因為鎳比鈷價格低。但是高鎳三元材料的這些技術痛點導致其生產條件極為苛刻,原料成本下降,生產成本又升高,所以未來高鎳三元材料的成本也不會大幅降低。但是由于國家及市場對電池比容的要求,高鎳三元材料勢在必行。


        參考文獻:岳鵬,張學全,陳彥彬. 鋰離子電池用層狀高鎳正極材料的研究進展[J]. 廣東化工,2016,43(15):117-118.

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        作者:墨玉

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