鎳鈷錳酸鋰（NMC）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）三元正極材料能供應(yīng)較高的能量密度和功率密度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源汽車動力鋰電池。近日單晶高鎳三元材料的工程化研究獲得新進展。

近日，上海交通大學(xué)李林森特別研究員和馬紫峰教授等人和美國萊斯大學(xué)（RiceUniversity）的TangMing（唐銘）教授合作，在能源材料領(lǐng)域知名期刊《EnergyStorageMaterials》上發(fā)表了題為Single-CrystalNickel-RichLayered-OxideBatteryCathodeMaterials:Synthesis,Electrochemistry,andIntra-GranularFracture的最新研究成果。論文第一作者為上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士研究生錢冠男，李林森、唐銘和馬紫峰為該論文共同通訊作者。

鎳鈷錳酸鋰（NMC）和鎳鈷鋁酸鋰（NCA）三元正極材料能供應(yīng)較高的能量密度和功率密度，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新能源汽車動力鋰電池。目前，商業(yè)化的三元正極材料大多是由納米級別一次顆粒團聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。多晶NMC內(nèi)部存在大量晶界（grainboundary）。在電池充放電過程中，由于各向異性的晶格變化，多晶NMC容易出現(xiàn)晶界開裂，導(dǎo)致二次顆粒發(fā)生破碎，比表面積和界面副反應(yīng)快速新增（圖1），導(dǎo)致電池阻抗上升，性能快速下降。

圖1.多晶和單晶NMC正極材料中顆粒破碎及其和電化學(xué)性能相關(guān)性的示意圖

單晶型三元材料內(nèi)部沒有晶界，可以有效應(yīng)對晶界破碎及其導(dǎo)致的性能劣化問題，本研究團隊開發(fā)一種新型的單晶材料合成工藝，制備出單晶型NMC三元正極材料。本工作采用原位XRD和非原位SEM對制備過程觀測，優(yōu)化煅燒溫度、鋰化比、水洗工藝等反應(yīng)參數(shù)，制備得到性能優(yōu)異的622型和811型單晶NMC。和商品多晶三元材料相比，單晶三元材料在常溫和高溫下均具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性。（圖2）團隊進一步研究了單晶NCM內(nèi)部裂紋生長和單晶的問題。通過斷裂力學(xué)分析，估算了單晶內(nèi)部裂紋生長的參數(shù)條件以及單晶發(fā)生內(nèi)部開裂的臨界尺寸值；通過電化學(xué)實驗及離子束切割，闡述了電池充電電壓、電化學(xué)相變、材料脫鋰量和單晶內(nèi)部裂紋的關(guān)系，以及裂紋生長取向性問題。研究表明，在正常充放電電壓范圍內(nèi)（2.8-4.3VvsLi+/Li），經(jīng)過1000次充放電循環(huán)，單晶型三元材料顆粒不發(fā)生破碎；但是，在過充的條件下（例如，充電至4.7V,每個結(jié)構(gòu)單元取出>0.84Li+），單晶NMC顆粒也會發(fā)生顆粒內(nèi)破碎。本工作為單晶型高鎳三元材料的進一步研發(fā)供應(yīng)了理論依據(jù)和模型材料。

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圖2.單晶NMC正極材料的電化學(xué)循環(huán)和機械穩(wěn)定性優(yōu)于多晶NMC

在基礎(chǔ)研究指引下，本團隊加強工程化技術(shù)開發(fā)，依托上海電化學(xué)能源器件工程技術(shù)研究中心，設(shè)計開發(fā)出單晶三元材料公斤級中試生產(chǎn)線，順利生產(chǎn)出合格的622型單晶NMC和Ni83材料，并已經(jīng)和包括萬向A123等國際知名電池公司展開初步合作，為單晶高鎳三元材料的工程化奠定良好的基礎(chǔ)。（圖3）

圖3.公斤級622型單晶NMC正極材料及Ah級軟包全電池

這項工作得到國家特聘青年專家計劃、國家自然科學(xué)基金和我國石化科技發(fā)展基金等項目支持。