中國粉體網(wǎng)訊  隨著碳達峰碳中和戰(zhàn)略的貫徹實施，新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入快車道。正極材料作為電池成本占比最高的一部分，其市場需求迎來了爆發(fā)式的增長。2023年8月15日到16日，2023先進正極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術(shù)研討會在山城重慶隆重召開，會議期間，我們邀請到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期，我們邀請到的是電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院的劉興泉教授。

劉興泉，理學(xué)博士，中國民盟盟員，中組部、中國科學(xué)院“西部之光”人才，中國科學(xué)院研究生院教授，博士生導(dǎo)師；電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師；中國能源學(xué)會理事；國家能源材料與器件專家委員會常務(wù)委員； 2021年中國科學(xué)家論壇“十四五”高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)新人物，2023年中國科學(xué)家論壇副主席。目前研究領(lǐng)域：全固態(tài)鋰/鈉電池用固體電解質(zhì)、高能量密度鋰/鈉離子電池新型電極材料設(shè)計與制備技術(shù)；鈉離子電池及其電極材料；鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究；常溫常壓下電化學(xué)催化合成氨、電化學(xué)催化分解水制氫和氧；鋅離子電池及應(yīng)用。

粉體網(wǎng)：想問一下劉教授，高鎳二元正極材料中，當(dāng)提高鎳含量的時候，會導(dǎo)致材料的性能降低，這是由哪些原因?qū)е碌模?/strong>

劉教授：對于目前高鎳材料來說，當(dāng)提高鎳含量時，性能都是呈一個下降趨勢。主要原因有以下方面：第一，鎳是比較活潑的金屬，在鎳含量比較高的情況下，隨著充電深度的增加，鋰離子脫出率增加，相應(yīng)高價鎳含量會不斷增加。高價鎳對電解液具有很強的氧化作用，而且高價鎳氧化物本身也可以在一定條件下釋放原子態(tài)氧，原子態(tài)氧也可以氧化電解質(zhì)，產(chǎn)生二氧化碳和水，使電池產(chǎn)生脹氣或變形甚至爆炸燃燒。

第二，高鎳材料在合成過程中需要加入過量的強堿性氫氧化鋰，導(dǎo)致材料合成出來以后殘留的堿含量很高，影響材料的加工性能，而且表面上的殘堿導(dǎo)致的副反應(yīng)也會對循環(huán)性能造成非常大的影響。

除了這兩方面外，增加鎳含量后，由于導(dǎo)電性強的鈷元素減少，會導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率下降，使材料的倍率性能下降。這樣來看，隨著鎳含量的增加，如果不對高鎳材料進行包覆、摻雜或其他方面改性的話，其性能很難滿足消費者的要求。

粉體網(wǎng)：想問一下劉教授，高鎳二元正極材料除了包覆改性，還有什么其他的措施嗎？

劉教授：增加鎳含量的初衷是提高材料的能量密度。對于動力電池來說是為了提升電動汽車的續(xù)航里程，但提高續(xù)航里程的前提是保證安全�，F(xiàn)在高鎳材料存在著前面講的一些問題，我們可以采取包覆改性去克服這些問題。包覆改性的效果也很好，能抑制材料表面的副反應(yīng)，同時提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但治標(biāo)不治本。

我們認為要真正穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，還需要對材料進行摻雜，這也是大家都普遍認可的方法。摻雜的方法分為金屬離子摻雜和非金屬離子摻雜、單摻雜和復(fù)合摻雜。摻雜都是在體相完成，摻雜離子要進入材料的晶格取代鎳或鈷，對高鎳材料來說，主要是取代鎳。通過摻雜后，材料的結(jié)構(gòu)得到了進一步的穩(wěn)定，而且摻雜進去的元素也可以提高材料的離子和電子導(dǎo)電性，提升材料的倍率性能和循環(huán)性能。

粉體網(wǎng)：那高鎳材料中的鎳含量極限是多少？

劉教授：最早說的高鎳材料是指鎳在材料中的摩爾百分比＞50%，現(xiàn)在的高鎳材料中鎳的摩爾百分比要＞80%，鎳摩爾含量從0.8到1.0都算是高鎳材料。雖然區(qū)間比較寬，但現(xiàn)在真正能夠使用的高鎳材料的鎳含量在0.92以下。更高鎳含量的二元材料，比如說我們正在研究的鎳0.97，鈷含量只有0.03，這種材料距離使用還需要很長的時間。它的循環(huán)性能和倍率性能都是有問題的，還需要進行包覆和摻雜復(fù)合處理提升材料的性能，然后才可以進入應(yīng)用。但是通過我們的研究結(jié)果認為，對于高鎳材料，鎳0.97有可能是一個極限的鎳含量。

粉體網(wǎng)：我們都知道高電壓鎳錳酸鋰材料的綜合性能比較優(yōu)異，但是與之相匹配的高電壓電解液的問題還沒有得到解決，這是否是高鎳材料的共性問題？

劉教授：現(xiàn)在高電壓材料有很多，不只是鎳錳體系。據(jù)我所知，富鋰錳基材料的充電截止電壓是4.8V-5V，磷酸錳鋰的充電電壓在5V左右，鎳錳酸鋰的充電截止電壓也可以達到5V。這些材料的充電平臺電壓都達到了4.5V以上甚至4.7V，這對目前的電解液體系，尤其是有機酯類電解液體系，提出了一個很大的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在的酯類電解液的極限耐壓一般是在5V，比較安全的耐受電壓是在4.5V以下。鎳錳酸鋰高電壓材料的充電平臺電壓達到了4.7V，磷酸錳鋰的充電平臺電壓也在4.7V，用目前的酯類電解液有很大的風(fēng)險，因為在這個平臺電壓下電解液會分解產(chǎn)生二氧化碳、水這些氣態(tài)物對電池的安全性會造成很大的影響。

但現(xiàn)在高電壓電解液國內(nèi)外研究進展也很大，發(fā)現(xiàn)了一些不用酯作為溶劑的電解液來克服這個問題。比如說現(xiàn)在的聚陰離子型、離子液體型這些電解液就可以上5V級的電壓。不排除這種電解液量產(chǎn)以后高電壓材料能夠有個迅猛的發(fā)展。

粉體網(wǎng)：您在報告中也說了高鎳低鈷或者是高鎳無鈷是未來發(fā)展的趨勢，那您比較看好哪一種高鎳二元正極材料?

劉教授：現(xiàn)在國家2025戰(zhàn)略要求電芯的能量密度到2030年實現(xiàn)500wh/kg，按現(xiàn)在的電池體系，實現(xiàn)這個目標(biāo)還是比較困難的。但是，我們完全可以通過高鎳材料和硅碳負極來實現(xiàn)2025年400wh/kg的目標(biāo)。

我比較看好的二元材料還是鎳鈷系。就是在鎳含量提高的情況下，把鈷的含量盡量降低，我們現(xiàn)在研究的鈷含量最低是0.025，根據(jù)我們目前的研究結(jié)果，現(xiàn)在看要把這個材料應(yīng)用在工業(yè)上我覺得還很困難。

但是富鋰錳基，實際上算是錳的二元材料，它里面也含鎳，但是這里面鎳是次要成分，錳是主要成分。這個材料我認為應(yīng)該是未來比較有發(fā)展前景的高能量密度材料。

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）

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