【纽米科技•技术π】JFD:高镍三元材料镍使用上限不能超70%

高工锂电

摘要

JFD认为,三元电芯的安全性需要同时在材料本身和电解液两方面着手,才能收到比较理想的效果。

三元材料电芯相对与LFP和LMO电芯而言安全性问题比较突出,主要表现在过充和针刺条件下不容易过关,电芯胀气比较严重,高温循环性不理想等方面。笔者个人认为,三元电芯的安全性需要同时在材料本身和电解液两方面着手,才能收到比较理想的效果。


从NMC材料自身而言,首先要严格控制三元材料的表面残碱含量。除了笔者上面讨论到的措施,表面包覆也是非常有效的。一般而言,氧化铝包覆是最常见的,效果也很明显。氧化铝即可以在前驱体阶段液相包覆,也可以在烧结阶段固相包覆,只要方法得当都可以起到不错的效果。

最近几年发展起来的ALD技术可以实现NMC表面非常均匀地包覆数层Al2O3,实测的电化学性能改善也比较明显。但是ALD包覆会造成每吨5千到1万元的成本增加,因此如何降低成本仍然是ALD技术实用化的前提条件。


其次,就是要提高NMC结构稳定性,主要是采用杂原子掺杂。目前使用较多的是阴离子和阳离子复合掺杂,对提高材料的结构和热稳定性都是有益的。另外,Ni含量是必须考虑的因素。对于NMC而言,其比容量随着Ni含量的升高而增加,但是我们也要认识到,提高镍含量引起的负面作用也同样非常明显。

随着镍含量的升高,Ni在Li层的混排效应也更加明显,将直接恶化其循环性和倍率性能。而且提高镍含量使得晶体结构稳定性变差,表面残碱含量也随之升高,这些因素都会导致安全性问题比较突出,尤其是在高温测试条件下电芯产气非常严重。因此,三元材料并不是镍含量越高越好,而是必须综合权衡各方面的指标要求。


笔者认为,高镍三元材料的单独使用上限可能是70%,镍含量再高的话,高镍带来的各种负面影响将足以抵消容量提升的优势而得不偿失。

另外,笔者这里还要指出的是需要严格控制成品中的细粉含量,细粉和小颗粒是两个不同的概念,细粉是形貌不规则的且粒径小于0.5微米的颗粒,这种颗粒不仅小且不规则,在实际生产中很难去除而给正极材料的使用留下了很大的安全隐患。因此,如何控制并去除材料中的细粉是生产中一个重要问题。


三元电芯的安全性,还需要结合电解液的改进,才能得到比较好的解决。关于电解液这块,涉及的技术机密较多,公开报道的资料很少。一般来说,三元材料在DMC体系中的电化学性能要好于DEC,添加PC也可以减少高电压下的副反应。混合LiBOB和LiPF6用于电解质盐,可以提高三元材料的高温循环性能。

电解液的改性,目前主要是从特种功能添加剂上面下功夫,目前已知的添加剂包括VEC、DTA、LiDFOB、PS等等,都可以改善三元电芯的电化学性能。这就需要电芯厂家和电解液生产商联合攻关,研究适合于三元材料的电解液配方。

 

 




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