目前正极材料NCM811的合成需要哪些改进？

2019-08-29 1075 次浏览

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。

本文来源：锂电前沿微信公众号 ID：lidianqy

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。

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。

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。