中國粉體網(wǎng)訊 在現(xiàn)有的商用正極中，三元正極材料因其高能量密度、相對良好的倍率性能和不錯的壽命與磷酸鐵鋰材料共同占據(jù)了商業(yè)化動力電池正極材料領域的壟斷地位。但近年來磷酸鐵鋰因為成本低、循環(huán)性能良好、安全性高等因素，市場份額快速增長，并反超三元材料。尤其伴隨著消費補貼的退坡，三元材料高能量密度而擁有的補貼優(yōu)勢已經(jīng)完全消失，而三元材料生產(chǎn)成本高于磷酸鐵鋰，沒有補貼，生產(chǎn)廠商考慮到成本會更青睞于磷酸鐵鋰。為了在競爭中不被淘汰，技術迭代成為三元材料發(fā)展的必然。
三元材料是由鎳鈷錳（NCM）或鎳鈷鋁（NCA）三種元素通過不同配比組成的。鎳、鈷、錳三種元素在電池正極中各自扮演著不同的角色，其中提高鎳的比例可以增加電池的能量密度，而鈷的存在有助于穩(wěn)定電池化學結構。但是，鈷是稀缺資源，價格昂貴且供應情況不穩(wěn)定，因此，研發(fā)高鎳低鈷或無鈷的三元材料成為提升電池性能和降低成本的關鍵途徑。
當材料中的鎳含量大于或等于0.6時，我們就可以稱之為高鎳三元正極材料。但隨著三元材料中Ni含量提升獲得更高容量的同時，其理化穩(wěn)定性也趨于惡化，主要表現(xiàn)在材料結構可逆性變差、表面副反應頻發(fā)、顆粒粉化現(xiàn)象嚴重、活性材料溶解等劣化行為，使其循環(huán)過程中電化學性能衰退嚴重。
為了提高材料的電化學性能和安全性能，必須對高鎳三元材料進行改性，其中離子摻雜、表面包覆以及結構優(yōu)化是最常用的三元材料改性的方法。
1.離子摻雜
陽離子混排導致的材料結構穩(wěn)定性差，以及循環(huán)過程中的相轉變是導致三元材料循環(huán)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差的重要原因，為了穩(wěn)定材料結構，研究者們已經(jīng)采用了多種離子對三元材料進行摻雜處理。
對三元材料的摻雜，按摻雜陽離子進入晶體結構的位置分為過渡金屬位摻雜和鋰位摻雜。大部分陽離子摻雜為過渡金屬位摻雜，如Al3+、Ti4+等，鋰位摻雜一般發(fā)生在摻雜陽離子半徑與鋰離子半徑相近的陽離子（如Mg2+）或者堿金屬離子（如Na+、K+、Rb+）上。
2.表面包覆
高鎳三元材料表面高的反應活性加速了材料表面與電解液的副反應，從而加速材料表面相轉變以及降低了熱穩(wěn)定性。表面包覆能夠達到分離材料活性表面與電解液的目的，或者包覆層作為HF清除劑，消耗電解液中的酸，抑制活性物質與電解液的副反應，以及過渡金屬離子的溶解，從而提高材料的電化學性能和熱穩(wěn)定性。常見的包覆物質有作為材料表面與電解液隔離層的惰性物質，如ZrO2、Al2O3等，為了提高材料離子導電性的高離子導電性材料，如Li3PO4、Li2ZrO3等，為了提高材料電子導電性的碳材料以及有機物等。
3.材料優(yōu)化
材料結構優(yōu)化是在不加入其他雜質離子的前提下，通過優(yōu)化材料形貌、結構，以及主體元素的分布來提高材料的電化學性能。目前材料結構優(yōu)化包括核殼結構、濃度梯度結構、異質結構、晶體晶面的定向生長等。
高鎳三元正極材料因高比容量優(yōu)勢而備受青睞，然而存在與電解液反應、陽離子混排等主要問題制約著其應用。目前主流的改性手段有離子摻雜、表面包覆、材料優(yōu)化等，雖然改性后材料的循環(huán)性能和熱穩(wěn)定性有所提高，但是都不能全面解決高鎳三元正極材料存在的問題。
2024年10月29-31日在上�？鐕少彆怪行�，由北京粉體技術協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024先進正極材料技術與產(chǎn)業(yè)高峰論壇。屆時，來自中南大學的唐有根教授將作題為《高鎳三元正極材料的研究開發(fā)》的報告。
專家簡介：
唐有根，博士，中南大學二級教授、博士生導師，湖南省電池行業(yè)協(xié)會會長，中南大學化學電源與材料研究所所長，化學電源湖南省重點實驗室主任，金屬燃料電池工程技術中心（籌）主任，中國儲能與動力電源及其材料專業(yè)委員會常務副主任兼秘書長，中國儀表材料學會常務理事，中國電池工業(yè)協(xié)會理事，中國電化學專業(yè)委員會委員，《儲能科學與技術》、《功能材料》、《工業(yè)電池》編委。
近年來主要從事先進電池、新能源材料和應用電化學等方面的教學、科研和開發(fā)工作。承擔20余項國家重點科技攻關項目、國家“863”高技術計劃項目、國家自然科學基金項目、解放軍武器裝備高新工程攻關項目和企業(yè)重大招標與技術轉讓等項目。先后榮獲省部級科技進步獎12項，獲國家發(fā)明專利20項。出版專著和教材5部，在NatureCommun,Angew.Chem.Int.EdEnergyEnvironSci,AdvMater,AdvEnergyMater,AdvFunctMater等國內(nèi)外知名期刊發(fā)表科研論文300余篇。
相繼開發(fā)出系列稀土貯氫合金和動力鎳氫電池系統(tǒng)、高鎳三元鋰離子電池正極材料、硅碳負極材料、水系鋰離子電池、電動大巴用鋁空氣電池系統(tǒng)、無汞鋅粉等多項新產(chǎn)品。致力于解決行業(yè)相關企業(yè)的技術難題，開展產(chǎn)學研合作，在儲能技術領域具有良好的科研、教學和成果轉化及創(chuàng)新實踐平臺建設經(jīng)驗和工作基礎。
參考來源：
1.王坤等《高鎳三元正極材料改性研究進展》
2.劉文超等《高鎳三元正極材料失效機制與改性》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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