JFD: 破解三元材料安全性难题

三元材料电芯相对与LFP和LMO电芯而言安全性问题比较突出，主要表现在过充和针刺条件下不容易过关，电芯胀气比较严重，高温循环性不理想等方面。笔者个人认为，三元电芯的安全性需要同时在材料本身和电解液两方面着手，才能收到比较理想的效果。

从NMC材料自身而言，首先要严格控制三元材料的表面残碱含量。除了笔者上面讨论到的措施，表面包覆也是非常有效的。一般而言，氧化铝包覆是最常见的，效果也很明显。氧化铝即可以在前驱体阶段液相包覆，也可以在烧结阶段固相包覆，只要方法得当都可以起到不错的效果。最近几年发展起来的ALD技术可以实现NMC表面非常均匀地包覆数层Al2O3，实测的电化学性能改善也比较明显。但是ALD包覆会造成每吨5千到1万元的成本增加，因此如何降低成本仍然是ALD技术实用化的前提条件。

其次，就是要提高NMC结构稳定性，主要是采用杂原子掺杂。目前使用较多的是阴离子和阳离子复合掺杂，对提高材料的结构和热稳定性都是有益的。另外，Ni含量是必须考虑的因素。对于NMC而言，其比容量随着Ni含量的升高而增加，但是我们也要认识到，提高镍含量引起的负面作用也同样非常明显。随着镍含量的升高，Ni在Li层的混排效应也更加明显，将直接恶化其循环性和倍率性能。而且提高镍含量使得晶体结构稳定性变差，表面残碱含量也随之升高，这些因素都会导致安全性问题比较突出，尤其是在高温测试条件下电芯产气非常严重。因此，三元材料并不是镍含量越高越好，而是必须综合权衡各方面的指标要求。

笔者认为，高镍三元材料的单独使用上限可能是70%，镍含量再高的话，高镍带来的各种负面影响将足以抵消容量提升的优势而得不偿失。另外，笔者这里还要指出的是需要严格控制成品中的细粉含量，细粉和小颗粒是两个不同的概念，细粉是形貌不规则的且粒径小于0.5微米的颗粒，这种颗粒不仅小且不规则，在实际生产中很难去除而给正极材料的使用留下了很大的安全隐患。因此，如何控制并去除材料中的细粉是生产中一个重要问题。

三元电芯的安全性，还需要结合电解液的改进，才能得到比较好的解决。关于电解液这块，涉及的技术机密较多，公开报道的资料很少。一般来说，三元材料在DMC体系中的电化学性能要好于DEC，添加PC也可以减少高电压下的副反应。混合LiBOB和LiPF6用于电解质盐，可以提高三元材料的高温循环性能。电解液的改性，目前主要是从特种功能添加剂上面下功夫，目前已知的添加剂包括VEC、DTA、LiDFOB、PS等等，都可以改善三元电芯的电化学性能。这就需要电芯厂家和电解液生产商联合攻关，研究适合于三元材料的电解液配方。