钜大LARGE | 点击量：2216次 | 2022年01月18日
单晶NCM523和多晶NCM523应该怎么选？
随着新能源汽车的快速发展，越来越多的电动汽车开始进入到普通消费者的生活之中，关于电动汽车人们担心的重要有两点：1）续航里程，这重要和锂离子电池的能量密度有关；2）使用寿命，这重要和锂离子电池的循环寿命有关。近年来随着电动汽车的续航里程的不断提升，动力锂电池的能量密度也在持续升高，然而高能量密度带来的一个负面影响就是循环寿命的下降，这似乎是动力锂电池无法逃脱的一个宿命，然而近年来开始出现的单晶材料似乎为高能量密度锂离子电池的长寿命之路点亮了一盏指路明灯。
2017年加拿大达尔豪斯大学的JingLi（第一作者）和J.R.Dahn（通讯作者）对单晶NCM523和多晶NCM523材料在软包锂电池中性能表现进行了深入的研究和分析，研究表明单晶NCM523材料更适合应用应用在对循环寿命要求比较高的领域。
多晶NCM523材料虽然二次颗粒的直径可达10um以上，但是实际上其一次颗粒的尺寸仅为200-400nm，而单晶NCM523材料的单个颗粒直径为2-3um左右（如上图所示），要远大于多晶NCM523一次晶体颗粒的尺寸。
下图为单晶NCM523材料颗粒的扫描电镜图片，从图中能够看到单晶NCM523材料中少数的较大颗粒是由多个晶体颗粒组成，大部分的颗粒还是由单一晶体构成。
下图展示单晶NCM523（SC-523）和多晶NCM523（UC-523），以及Al2O3包覆NCM523（AC-523）三种材料在扣式半电池中在3-4.5V、3-4.4V和3-4.3V电压范围内的充放电曲线，电流密度为10mA/g（C/20），测试温度为30℃。下表为三种材料在4.3V、4.4V和4.5V截止电压下的比容量数据，从下图中可以看到AC-523材料的可逆容量在各个电压下都是最高的，分别可以达到174.6mAh/g、188.1mAh/g和199.2mAh/g，而单晶NCM523材料的比容量分别为165.6、179.2和189.9mAh/g，是三种材料中最低的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
下图为三种材料和石墨负极制作的软包锂电池的库伦效率随循环次数的变化趋势，测试条件为3-4.4V，温度为40℃，分别采用了不同的电解液添加剂，从下图中能够看到无论是在哪种电解液中采用单晶NCM523的电池的库伦效率都要明显好于多晶NCM523材料，这也表明单晶材料的界面稳定性更好，能够减少副反应的发生。
为了进一步验证单晶NCM523和Al2O3表面包覆NCM523材料的界面稳定性，作者采用pES211电解液，石墨负极制作软包锂电池，分别在4.4V、4.5V和4.6V和40℃下分别浮充100h，从下图能够看到单晶NCM523材料在整个浮充过程中产气体积非常少，分别为0.01、0.01和0.04mL，而多晶NCM523材料尽管表面包覆了Al2O3，但是其产气的体积仍然高达0.07、0.27和0.62ml，该实验表明单晶NCM523材料能够很好的抑制副反应的发生，从而减少高电压下的产气。
下图为三种材料在不同SoC状态下进行加热时释放O2量的测试结果，从下图d-f能够看到多晶NCM523材料在80℃附近还有一个小的释放O2的峰，特别是在高SoC状态下这一峰变的更为明显，而单晶NCM523材料在这一温度下并没有出现释放O2的峰。从下图a-c能够看到三种材料在200-350℃的范围内也有一个释放O2的峰，随着SoC的提高，该峰的强度也出现了明显的升高，虽然三种材料在这一范围内都出现了O2释放峰，但是单晶材料峰值温度是最高的，这也再一次表明单晶NCM523材料在热稳定性上要比常规的多晶NCM523更加优异。
下图为单晶NCM523和多晶NCM523和石墨制备的软包锂电池采用不同电解液在40和55℃下的循环性能（C/2，3-4.4V）比较，从下图能够看到无论是在40℃，还是在55℃下，单晶NCM523材料的循环性能都要明显优于Al2O3包覆的NCM523材料，例如在40℃下采用Q2FEC和pES211电解液的单晶NCM523电池在经过300次循环后，容量保持率仍然可达98%，而Al2O3包覆的NCM523材料的电池在采用同样电解液的情况下，循环300次后容量保持率仅为92%，在55℃下这一差距更加明显，采用pES211、Q5FEC和1BFC电解液的单晶NCM523材料电池循环300次后容量保持率可达94%以上，而Al2O3包覆的NCM523材料电池的容量保持率还不到85%。
总的来看，单晶NCM523材料在比容量上要低于多晶NCM523材料，但是在产气、热稳定性，特别是在循环性能上单晶NCM523材料都要明显的优于多晶NCM523材料，因此单晶NCM523材料更适合应用在一些对倍率性能要求不高，但是关于循环性能有较高要求的领域。
