NCM是指正极材料由镍钴锰三种材料由一定比例组合而成,富镍的NCM有助于提高容量,锰则提高了材料的稳定性,钴能优化材料的倍率性能。目前国内正从中低镍(如3:3:3;5:2:3)向高镍(如6:2:2往8:1:1)转换。

目前我国锂电正极材料NCM811的合成需要哪些改进?

宁德时代已制备出NCM811?有消息称宁德时代宣布它已经制造出能量密度为304Wh/kg的NCM811电池样品。


这代表着,自2017年以来,宁德时代的NCM523电芯已经取得了重大改进。宁德时代的能量密度发展路线图显示:


短期研发项目(2017年至2019年)内,正极材料从低镍到高镍,负极依旧采用石墨,其电芯能量密度从230-250Wh/kg提升至250-280Wh/kg。

目前我国锂电正极材料NCM811的合成需要哪些改进?

中期研发项目(2020年至2025年)又可分为两个时间点:


第一个时间点是2020年,正极材料继续高镍路线,负极由石墨进化到石墨+硅,能量密度可达到300-350Wh/kg;


第二个时间点是2025年,能量密度在350-500Wh/kg时,电芯正极向高压演变,负极材料为锂金属,或者锂离子电池体系将向全固态电池发展。长期规划(2030年后),能量密度达到500-700Wh/kg时,锂空气电池将成为主流。


合成NCM811的难点合成NCM811的方法有:高温固相烧结法、熔盐法、喷雾热解法、溶胶凝胶法和共沉淀法等。


当前国内高镍NCM811材料存在的主要技术问题:一方面是颗粒表面的相转变,容易引起电池容量、循环性能的衰减;另一方面是循环后颗粒碎裂,引起811电池电化学性能衰减,导致热稳定性、安全性能下降。所以,国内高端高镍三元材料还主要依赖进口。


NCM811的改进措施针对NCM811的改进措施主要从材料制备条件优化、元素掺杂、表面包覆、合成富镍梯度材料和单晶材料,以及使用电解液添加剂等方面进行。

目前我国锂电正极材料NCM811的合成需要哪些改进?

①制备条件优化NCM811的制备条件较为苛刻,如需要在高温、氧气气氛等条件下合成,在惰性气氛或低湿度条件下冷却等。研究人员研究了不同温度下的烧结情况;不同气氛下的烧结情况;前驱体预氧化的情况。未来最好能找到一种既能减少氧气使用和缩短合成步骤,又能制备较为稳定NCM811材料的方法,来推动NCM811的工业化进程。


②元素掺杂在三元正极材料合成过程中,通过掺入一种或多种元素来增强材料结构的稳定性,是一种提高材料性能非常有效的方法,常用的掺杂元素包括Al、Zr、Mg、Ti、B和F等。可以在前驱体制备过程中进行掺杂,或在前驱体与锂源混合过程中进行掺杂,也可在材料经过一次烧结后进行掺杂。


③表面包覆通过物理或化学方法,在三元材料表面包覆一层导电性较好或稳定性较好的化合物,可以增强材料导电性,提高材料的倍率性能和其对电解液的抗腐蚀能力等。常用包覆方法主要有干法包覆和湿法包覆,常用包覆物主要包括TiO2、Al2O3、石墨烯、LixTi2O4和氟化锂等。


④合成富镍梯度材料NCM811材料在脱锂过程中表面会形成Ni4+,Ni4+在较高的电压下能催化电解液发生分解,引起电池胀气及内阻增大,是造成电池性能衰退的重要原因。而Mn4+具有较强的耐腐蚀性和稳定性,因此,发展内核富镍而外层高锰的梯度富镍材料,对提高富镍材料的循环性能和安全性能具有深远的意义。


但富镍梯度材料前驱体合成过程复杂,合成过程中容易形成高镍和低镍混合的前驱体,难以得到分布均一的梯度富镍材料前驱体,因此,工业上目前还无法批量生产富镍梯度正极材料。


⑤单晶材料发展单晶富镍材料是改善电池性能和提高电化学容量的有效方法,单晶材料由于颗粒均一,各向异性好,拥有较好的机械应力和耐压性,从而使材料在电极辊压和充放电过程中不容易破裂,界面光滑且稳定,能大大降低电池在充放电过程中主体材料微裂纹的产生,减少活性材料与电解液的反复接触,减少气体的产生。


⑥使用电解液添加剂在电解液中加入一种或多种添加剂能增强电解液的稳定性,常用的电解液添加剂包括氟化物、硼化物、磷化物和硫化物等。但镍含量越高,材料与电解液的交联反应越剧烈,因此开发高效的电解液添加剂仍是实现富镍正极材料商业化的难点。


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