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鋰電池三元高鎳正極材料研究現(xiàn)狀

元能科技 2024-07-20 | 閱讀：2292

前言

基于能量密度高、放電容量大、綜合成本低等優(yōu)勢的三元正極材料（NCM），特別是高鎳三元材料，會是未來三元正極的主要發(fā)展趨勢。本期文章主要就高鎳三元材料的基本特征、材料自身問題點、當前相關研究情況等做相關梳理和討論。

高鎳材料的基本特征

NCM三元材料由于元素本身的特點，不同的元素在材料的結構和電化學性能中扮演的角色各不相同。一般而言，在NCM體系中，鎳含量越高，克容量越高（如圖1所示）；鈷含量越高，倍率性能越好；錳含量越高，結構越穩(wěn)定。因此，三元材料的性能因元素的比例改變而改變。按照鎳含量的不同，NCM主要可以分為NCM111、532、622、811等，還有過渡產(chǎn)品721等，其中622及以上為高鎳三元。

圖1.不同三元正極材料的克容量

高鎳材料問題點

高鎳三元材料從NCM532、NCM622到NCM811以及NCA三元材料，逐漸迭代更新。將Ni含量提升至90%及以上，不僅可以降低成本，還能極大提升電池的比能量。然而，隨著Ni含量的提升，高鎳三元材料在應用中也存在許多問題和挑戰(zhàn)。表1總結了高鎳三元材料自身存在的一些問題：

表1.高鎳三元材料自身存在的一些問題

高鎳材料的改性研究

為了克服上述關于高鎳三元材料應用中的相關問題，通常需要對其進行材料層級的改性，從而改善后續(xù)電池的電化學性能和安全性能。目前針對高鎳三元材料的改性研究可以劃分為幾個方向：材料本體優(yōu)化、材料結構調控、材料表/界面優(yōu)化等，如表2所示：

表2.當前已報道的高鎳三元材料的改性研究方法

上述的包覆改性是被廣泛用于高鎳三元正極材料表面修飾的方法。針對表面包覆的方向，我們整理了當前研究中高鎳三元材料的不同的包覆物方案，如圖2所示：

圖2.高鎳三元材料的不同包覆物方案

高鎳材料研究小結

（1）高鎳三元正極材料不斷迭代發(fā)展，高鎳化可以提高電池的能量密度；但高鎳三元材料自身存在的一些問題，需要針對性地改善和優(yōu)化。

（2）通過材料本體優(yōu)化、元素摻雜和表面包覆等改性手段，可以有效地解決高鎳三元正極材料存在的缺陷問題，改善和提高其在電芯端的性能。

（3）高鎳三元仍是高能量正極的研究熱點，如果高鎳三元材料的安全性能、循環(huán)壽命的問題得到解決的話，其在產(chǎn)業(yè)應用上有非常大的空間。

高鎳材料測試案例

1、不同體系NCM材料的導電性及壓縮性能評估

本文采用粉末電阻&壓實密度儀PRCD3100（IEST-元能科技），測試了NCM111、NCM622、NCM811三種材料的電導率及壓縮性能（圖3），發(fā)現(xiàn)隨著鎳含量的增加，電導率逐漸增大；但當前加壓條件下NCM622的壓縮模量大于NCM111及NCM811，這與其的微觀結構有關，結合三種材料的SEM形貌分析結果可明顯看出，NCM622由層狀結構組成的多晶材料，更易被壓縮，這與實際的壓縮性能實驗結果相一致。

圖3.三種NCM材料的電導率曲線(a) 和壓實密度曲線(b)

2、原位分析NCM811電芯高溫循環(huán)過程體積變化

本文采用可控溫雙通道原位體積監(jiān)控儀GVM2200，分析兩種不同電解液體系的NCM811/Graphite電芯在高溫循環(huán)過程中的體積變化（圖4），可直觀的評估兩種電解液體系在產(chǎn)氣方面的差異，且可看出脫嵌鋰過程中的材料相變對應的體積變化，助力研發(fā)人員從機理上深入分析材料和電解液性能。