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三元材料(NCM,NCA),道路如何抉擇?

更新時間:2024-06-26      點擊次數:212


三元材料(NCM、NCA):性能可調控,道路如何抉擇?


三元材料(NCM,NCA),道路如何抉擇?

三元材料是與鈷酸鋰結構極為相似的鋰鎳鈷錳氧化物(LiNixCoyMn1-x-y02)的俗稱,這種材料在比能量、循環性、安全性和成本方面可以進行均衡和調控。鎳鈷錳三種元素的不同配置將為材料帶來不同的性能:鎳含量增加將增加材料的容量,但會使循環性能變差;鈷的存在可使材料結構更加穩定,但含量過高會使容量降低;錳的存在可以降低成本并改善安全性能,但含量過高則會破壞材料的層狀結構,因此找到三種材料的比例關系以達到綜合性能top優化,是三元材料研發的重點。常見配比有 NCM111、523、622、811 等。NCA(LiNio.8C0015Ah0502)則是將其中的錳元素用鋁元素來替代,一定程度上改善材料的結構穩定性,但其鋁含量較少,可近似看成是一種二元材料。

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   鎳含量升高對材料性質產生了怎樣的變化?

(1)鎳含量越高,材料比容量越高。NCM811 材料比容量可達 210mAh/g,比 NCMIII 材料增加近 25%。

(2)鎳含量越高,材料儲存和開發難度越大。高鎳三元材料極易吸水變質,降低容量和循環壽命。而且一部分水還會保存在晶體中,使得電池在高溫環境中產生氣體,造成電池脹氣,帶來安全隱患。

(3)鎳含量越高,三元材料熱穩定性越差。如 NCM111 材料在 300C 左右發生分解,而 NCM811 在 220℃左右即分解。

(4)鎳含量升高會帶來電解液匹配問題。高鎳材料表面由于吸水變質產生的 LiOH 等物質會與電解液反應,造成容量衰減和安全問題。因此對高鎳材料的改性技術是重要的發展方向。改性技術包括摻雜其他元素、表面包覆等,如用導電高分子或者無機材料在顆粒表面進行納米包覆,可提高循環使用壽命,提高高溫性能和安全性。

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未來路線是 NCM811 還是 NCA?

二者均為高鎳三元材料,性能比較接近,但存在以下幾點不同:

(1)NCM811 中鈷含量為 0.1,NCA 中鈷含量為 0.15,這使得受鈷高昂價袼的影響,NCA 原料成本稍高;

(2)以鋁代替錳,可以增強材料的穩定性,提高材料的循環性能,但是在制作過程中,由于鋁為兩性金屬,不易沉淀,因此 NCA 材料制作工藝上存在比 NCM811 更高的壁壘;

(3)電池制造上,NCA 對濕度等條件要求更加苛刻,電池生產存在技術門檻。在目前看來,兩種思路都是可行的,未來哪種材料的技術難關提前被克服而實現大規模量產,哪種材料便能迅速占領市場。

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