如果說(shuō)現(xiàn)在什么材料最火，恐怕就是三元材料了。前一段時(shí)間采用三元材料動(dòng)力電池的電動(dòng)大巴車被工信部排除在政府補(bǔ)貼的名單之外，在鋰離子電池行業(yè)引起了軒然大波。為何三元材料如此被看好呢?我們今天就要好好梳理一下三元材料。
鋰離子電池誕生之初，能量密度只有50-70Wh/kg，經(jīng)過(guò)多年在電池結(jié)構(gòu)和電池材料方面的技術(shù)發(fā)展，如今鋰離子電池能量密度已經(jīng)可以達(dá)到200Wh/kg以上。但是傳統(tǒng)的正極材料鈷酸鋰已經(jīng)難以勝任高比能電池的需求了，因而迫切的需求一種全新的鋰離子電池正極材料，其中三元材料(鎳鈷鋁和鎳鈷錳三元材料)由于其較高的電池容量，材料的電壓與傳統(tǒng)LiCoO2接近，而備受人們的關(guān)注。
特別是NCA材料，其容量較高，并具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，因而特別適合應(yīng)用在一些對(duì)能量密度要求較高的高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。日韓高端的18650均使用NCA，目前日本量產(chǎn)的18650 最高容量可達(dá)到3.5Ah。松下NCA 18650電芯容量為3.2Ah，相當(dāng)于每節(jié)電池存儲(chǔ)的電量為11.47WH(1度電=1000WH) ，而國(guó)內(nèi)的18650電芯做到2.8Ah算是極限了。松下在2012年下半年已量產(chǎn)了3.4Ah的18650電芯，據(jù)悉，更高容量的4.0Ah電芯也已開始小批量試生產(chǎn)。松下的改良型電芯遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)18650電芯容量所能達(dá)到的極限。
既然NCA材料具有如此優(yōu)異的性能，小編就帶著大家了解一下NCA材料。一般來(lái)說(shuō)，我們所說(shuō)的NCA材料都是指的高鎳NCA三元材料，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2材料。與LiCoO2材料相似，NCA材料也具有層狀結(jié)構(gòu)，為?-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)，其中Ni,Co,Al的價(jià)態(tài)均為正三價(jià)，其中鋰離子占據(jù)巖鹽結(jié)構(gòu)的3a位，而其他金屬離子則占據(jù)3b位置，氧離子占據(jù)6c位置。
其中只有Ni和Co具有電化學(xué)活性，在充放電的過(guò)程中能夠貢獻(xiàn)容量。而Ni在材料中主要的作用就是提高材料的容量，Ni2+/Ni3+，Ni3+/Ni4+都可以為材料提高容量，但是由于Ni2+離子與鋰離子半徑接近，因此極容易進(jìn)入到鋰層，從而造成容量的損失。Co可以減少Ni離子進(jìn)入到鋰層，從而達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)Co3+/Co4+也能夠?yàn)椴牧咸峁┤萘?。而Al的加入主要是為了穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，避免材料在充放電過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷。
雖然NCA材料具有優(yōu)異的性能，但是目前，NCA三元材料市場(chǎng)被日本化學(xué)，戶田和住友金屬三家壟斷，松下、索尼是NCA電池主要供應(yīng)商，臺(tái)灣也有少量應(yīng)用。Tesla效應(yīng)帶動(dòng)下，國(guó)內(nèi)的電池材料廠商也開始紛紛投資進(jìn)行NCA三元材料的研發(fā)，但是目前產(chǎn)品的技術(shù)成熟度相對(duì)較差，離真正的市場(chǎng)化應(yīng)用還有一段距離，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的NCA材料供應(yīng)還主要依賴于進(jìn)口。
相比于LiCoO2材料，NCA材料的生產(chǎn)難點(diǎn)在于前軀體制備和焙燒合成過(guò)程，三元材料需要將三種金屬元素和鋰均勻混合，特別是Al的添加量相對(duì)較少，難以分散均勻，因此一般采用的共沉淀辦法，通過(guò)一定的工藝手段，使得所有元素同時(shí)沉淀，成為前軀體。
焙燒也是一大難點(diǎn)，Ni元素的穩(wěn)定價(jià)態(tài)為正二價(jià)，因此為了將其氧化為正三價(jià)，就需要在NCA材料的合成過(guò)程中采用富氧環(huán)境，這對(duì)焙燒設(shè)備的提出了很高的要求。此外NCA材料在實(shí)際應(yīng)用中也存在著一定的問(wèn)題，由于其較高的鎳含量，使得其堿度較高，因此容易造成在勻漿和涂布的中，漿料粘度異常上升，使得生產(chǎn)過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。日韓電池生產(chǎn)商一般采取車間改造的方法，降低涂布間的環(huán)境濕度，但是這需要進(jìn)行較大的資金投入。
此外，NCA材料的壓實(shí)密度也較低，因此也限制了電池能量密度的進(jìn)一步提升。雖然NCA材料目前在應(yīng)用中還存在著很多問(wèn)題，但是隨著技術(shù)進(jìn)步，這些問(wèn)題都會(huì)被逐步克服，也希望國(guó)內(nèi)長(zhǎng)生能夠在NCA材料的生產(chǎn)技術(shù)方面取得突破，早日打破國(guó)外材料廠商的技術(shù)壟斷。
