高鎳三元正極材料產(chǎn)業(yè)化難點分析

前言：業(yè)內(nèi)人士指出，高鎳三元材料電池的安全性受正極材料制備、制造環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、電芯制造工藝等多重因素影響。高鎳三元材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中有七大難點。

2018年是高鎳811的元年，隨著國家補(bǔ)貼政策直接與電池能量密度掛鉤，三元電池特別是高能量密度的高鎳811電池成為國內(nèi)許多電池企業(yè)的必然的選擇。同時，伴隨著鈷價格的高漲，高鎳811成為動力電池的發(fā)展趨勢。

目前，市場上主流正極材料：磷酸鐵鋰(LFP)、錳酸鋰(LMO)和三元材料(NCM/NCA)。

▲動力電池能量密度示意圖

業(yè)內(nèi)人士指出，高鎳三元材料電池的安全性受正極材料制備、制造環(huán)境、生產(chǎn)設(shè)備、電芯制造工藝等多重因素影響。高鎳三元材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中遇到很多難點問題?？偨Y(jié)一下，有七大難點:

1、合成技術(shù)仍需改進(jìn)優(yōu)化，制備工藝難度較大。

一方面目前合成高鎳三元材料的方法主要是高溫固相燒結(jié)法，穩(wěn)定性、安全性能差!儲存、加工條件苛刻。另一方面，“高鎳三元電池的產(chǎn)業(yè)化并不僅僅取決于正極材料的突破，其它材料的合理搭配、電池制造工藝和包覆工藝升級、電池的安全性和一致性問題解決等都有很大的影響。高鎳三元材料電池的制備工藝難度較大，這對動力電池企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)線改造提出了很高的要求。

2.關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化率低

高鎳三元材料在前驅(qū)體燒結(jié)和材料生產(chǎn)環(huán)境方面的要求都較為苛刻，產(chǎn)品在存儲使用過程中容易吸潮成果凍狀，不易調(diào)漿和極片涂布。因此正極材料企業(yè)對窯爐設(shè)備等生產(chǎn)設(shè)備的各項性能要求都比較高，但目前國內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備還無法完全滿足高鎳三元材料的制備要求。

高鎳材料必須在純氧氣氛中高溫合成，窯爐材質(zhì)必須耐氧氣腐蝕;而且必須用氫氧化鋰做鋰源進(jìn)行高溫合成，氫氧化鋰容易揮發(fā)且堿性很強(qiáng)，窯爐材質(zhì)必須耐堿腐蝕;目前高鎳三元材料生產(chǎn)主要采用密封輥道窯，國內(nèi)能生產(chǎn)的企業(yè)比較少。

3.安全性難點

從原理上分析，高鎳三元材料存在的技術(shù)問題就是由于Ni3和co3+4與O有能帶重疊，所以在高脫鋰狀態(tài)，晶格O會從晶格中脫出，結(jié)構(gòu)被破壞造成循環(huán)性能變差，造成安全性的隱患。

高鎳三元材料特別是在高溫循環(huán)和長循環(huán)的壽命過程當(dāng)中，他的顆粒表面會出現(xiàn)一個相轉(zhuǎn)變，從原來的層狀結(jié)構(gòu)，到尖晶石結(jié)構(gòu)，再到非活性巖石相，引起容量，循環(huán)性能衰減。另外相轉(zhuǎn)變也伴隨著材料著材料中釋放一定的氧氣，這樣對安全性也有一的隱患。

高鎳材料第二個方面，加入時高鎳材料因為他的容量比較高，我們都知道他在一個深度的脫離的時候，其實顆粒收縮體積的變化是比常規(guī)的三元要大很多的。假如說高鎳三元材料在循環(huán)過程當(dāng)中由于晶體的收縮膨脹會導(dǎo)致出現(xiàn)一些裂紋，這些裂紋一方面會導(dǎo)致電子的短路，另外一方面裂紋的出現(xiàn)，這些新鮮的表面也會跟電解液體產(chǎn)生更多的負(fù)反應(yīng)，影響整個電池的循環(huán)性能及安全等問題。

該圖是NCM811和NCM111在70℃-350℃之間自加熱速率的曲線圖。圖中顯示在105℃左右，NCM811開始發(fā)熱，而NCM111還沒有，一直到200℃時才開始出現(xiàn)了發(fā)熱。

NCM811在從200℃開始，發(fā)熱速率為1℃/min，而NCM111還是0.05℃/min，這也意味著NCM811/石墨體系的電池較難通過強(qiáng)制安全認(rèn)證。

4.生產(chǎn)與應(yīng)用環(huán)境濕度控制要求苛刻

高鎳三元電池的制造對水分比較敏感，目前還沒有完全成熟可靠的解決方法。

5.成本難點

一方面，鈷受資源限制，成本較高，高鎳化降低了鈷的使用量，會一定程度上降低成本，但是高鎳材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)濕度要求控制苛刻，高鎳材料生產(chǎn)成本高;而且生產(chǎn)線投資比低鎳材料要高得多，這也提高了投資成本;配套的電解液，隔膜成本也會增加，綜合以上，整個電池成本并不一定會下降很多。

6.新技術(shù)新材料對高鎳三元材料的沖擊

目前動力電池行業(yè)比較火的詞匯，不僅僅是“高鎳”，還有：“固態(tài)電池”，“富鋰錳基固溶體材料”，“鋰硫電池”等等，新技術(shù)新材料新觀念的出現(xiàn)將對高鎳三元材料的應(yīng)用產(chǎn)生一定的沖擊。

7.回收難點

對于大容量三元材料電池處于安全考慮,還沒有進(jìn)行規(guī)模化拆解回收實踐，關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前仍缺失。這方面還需要政府支撐與扶持，產(chǎn)業(yè)界的積極響應(yīng)。