高鎳三元材料存在哪些技術(shù)問題？

眾所周知，鋰離子電池作為一種新型的綠色電源，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益，也吸引了越來越多的學(xué)者對其進(jìn)行深入的研究。

隨著鋰離子電池應(yīng)用場景的不斷拓展與延伸，鋰離子電池的容量要求越來越高。而在鋰離子電池組成中，正極材料是其最為關(guān)鍵的一部分，其成本大約占據(jù)了整個電池的三分之一。正極材料結(jié)構(gòu)中的鋰離子是維持鋰離子電池正常工作的唯一來源，因此正極材料的能量密度很大程度上決定了一個電池的能量密度。在此背景下，以 523、622、811 為代表的高鎳三元正極材料越來越受到人們的關(guān)注，成為近些年來研究的熱點(diǎn)。

盡管高鎳三元材料在能量密度方面相比于其他幾種正極材料有較大優(yōu)勢，但是也繼承了LiNiO2的一些缺點(diǎn)，如合成過程中易偏離計量比、循環(huán)過程中容易向尖晶石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變等等，導(dǎo)致高鎳三元材料的循環(huán)性能、安全性能及儲存性能較差，阻礙了三元材料在動力電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

綜合眾多研究，高鎳三元材料存在的主要問題有：1陽離子混排，或者鋰鎳混排

高鎳三元材料在合成過程中部分Ni2+占據(jù)Li+位，形成陽離子混排。另外在充電過程中，過渡金屬層中的低價鎳會遷移到鋰層，占據(jù)鋰空位，也會形成陽離子混排。

2熱穩(wěn)定性較差

材料的熱穩(wěn)定性直接關(guān)系到電池的安全性能，而正極材料的熱分解溫度往往是影響電池?zé)崾Э氐年P(guān)鍵因素。研究表明，三元材料中的鎳含量越高，熱穩(wěn)定性越差。

3表層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定

電極材料的脫鋰均是從表層開始，并且隨著充電的進(jìn)行表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過度脫鋰的現(xiàn)象，同時高鎳三元材料的層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)、惰性巖鹽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，往往在前幾次充放電之后，材料表層即形成較厚的惰性層（主要成分為NiO）。另外表層強(qiáng)氧化性的高價過渡金屬離子與電解液發(fā)生嚴(yán)重的副反應(yīng)，也會造成電池的極化增大、容量快速衰減。

4二次粒子中的應(yīng)變與微裂紋

目前三元材料多采用共沉淀方法合成，而共沉淀的特點(diǎn)就是依靠納米級一次粒子團(tuán)聚長大成二次粒子。在共沉淀過程中，劇烈攪拌導(dǎo)致一次粒子無序分布團(tuán)聚，因此在二次粒子中存在不同程度的應(yīng)力和畸變。

5過高的表面堿含量

三元材料中的鎳元素呈堿性，暴露在空氣中易吸收水分和CO2，與表層殘鋰反應(yīng)生成LiOH和Li2CO3，進(jìn)一步增加了材料的pH值，也嚴(yán)重影響了三元材料的電化學(xué)性能和儲存性能。三元材料中鎳含量越高，表面堿越多。

對此，近年來，研究人員圍繞高比能量鋰離子電池的正極材料在合成工藝、摻雜改性、微觀結(jié)構(gòu)和電解液匹配等方面開展了諸多改進(jìn)工作。如通過合成Ni0.8Co0.15Al0.05OOH前驅(qū)體提高產(chǎn)物中Ni的平均價態(tài)、調(diào)整鋰過量，降低鋰鎳混排程度；對材料進(jìn)行離子摻雜提高材料（尤其是脫鋰態(tài)）的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，進(jìn)而改善熱穩(wěn)定性；通過表面包覆穩(wěn)定三元材料在充放電過程中的表層晶體結(jié)構(gòu)等。