一直以來，我們都在追求即具有高的穩(wěn)定性，又具有良好的循環(huán)性能和高比容量的鋰離子電池電極材料，然而大多數(shù)情況下鋰離子電池電極材料無法同時(shí)滿足上述要求，例如NCM材料為了追求高的比容量而提高Ni元素的含量，就不得不放棄循環(huán)性能和熱穩(wěn)定，正所謂魚與熊掌不可兼得。

高Ni材料Li[Ni1-xMx]O2(M=metals)具有高容量和高能量密度，是一種十分具有潛力的鋰離子電池正極材料，但是高鎳材料也存在著熱穩(wěn)定差的缺點(diǎn)，這主要是較高的脫鋰程度時(shí)，材料結(jié)構(gòu)容易釋放出O原子，這可能會導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э睾捅ā?br/>
同時(shí)Li[Ni1-xMx]O2的循環(huán)性能也較差，這主要是Ni4+不穩(wěn)定造成的，容易轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛢r(jià)態(tài)從而進(jìn)入到Li層，占據(jù)鋰位造成不可逆容量。同時(shí)在脫鋰狀態(tài)下，Ni元素較高的價(jià)態(tài)也容易與電解液反應(yīng)，造成電解液氧化，對電池的循環(huán)壽命造成負(fù)面的影響。

現(xiàn)在NCM材料面對一個(gè)兩難的境地：為了提高容量，就要提高Ni的含量，但是為了提高材料的穩(wěn)定性，就要降低Ni的含量。那究竟有沒有什么辦法能夠魚與熊掌兼得呢?答案是有的，這就是梯度濃度材料，與核殼結(jié)構(gòu)材料。

其實(shí)這兩種方法的原理很簡單，就是利用了不同Ni含量的材料的穩(wěn)定性不同，材料顆粒從內(nèi)而外，Ni的濃度逐漸降低，從內(nèi)而外形成了一個(gè)濃度梯度，這就是所謂的梯度濃度材料。

而核殼結(jié)構(gòu)的材料同樣利用了Ni元素的濃度變化，形成了一個(gè)核心高鎳，外部低鎳的核殼結(jié)構(gòu)。這兩種方法充分發(fā)揮了低鎳材料熱穩(wěn)定性好，與電解液副反應(yīng)少的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也獲得了高鎳材料容量高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼顧了高容量和高穩(wěn)定性兩個(gè)方面。

近日，天津大學(xué)的YonghengZhang等人結(jié)合著兩種方法的優(yōu)點(diǎn)研發(fā)了一種新型的具有核殼結(jié)構(gòu)的梯度濃度NCM材料。我們知道，核殼結(jié)構(gòu)材料雖然同時(shí)結(jié)合了高鎳NCM和低鎳NCM的優(yōu)點(diǎn)，但是由于核心與外殼之間存在著明顯的界限，同時(shí)核心和外殼在充放電過程中體積變化不同，因此很容易在循環(huán)過程中在核心和外殼之間形成間隙從而破壞材料的結(jié)構(gòu)，造成容量的衰降。

為了避免這一現(xiàn)象，YonghengZhang等人結(jié)合了梯度材料的優(yōu)點(diǎn)，形成了具有三層結(jié)構(gòu)的NCM材料，其中核心為高鎳材料，中間為具有梯度濃度分布的過渡層，最外層則為低鎳的外殼，中間的過渡層能夠很好的吸收不同的體積膨脹造成的應(yīng)力，從而穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)。這種材料的設(shè)計(jì)不是難點(diǎn)，難點(diǎn)在于材料前軀體的合成工藝，下面就讓我們一起看一下，該材料的合成過程。

首先將Ni、Co和Mn的硫酸鹽溶液按照8：1：1的比例泵入到N2保護(hù)的攪拌器之中，與NaOH和NH3·H2O反應(yīng)獲得NCM811的前驅(qū)體[Ni0.8Co0.1Mn0.1](OH)2。然后繼續(xù)向反應(yīng)器內(nèi)按照Ni：Co：Mn的比例為4.5：1：4.5的比例泵入三種金屬的硫酸鹽溶液，獲得具有核殼結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)0.6(Ni0.45Co0.1Mn0.45)0.4](OH)2，然后將該前驅(qū)體與Li2CO3混合，首先在750℃先預(yù)加熱4h，然后在860℃下加熱16h，獲得具有全新結(jié)構(gòu)的核殼結(jié)構(gòu)的NCM材料。

由于過渡族金屬元素在高溫過程十分容易發(fā)生擴(kuò)散，因此該材料在高溫的焙燒過程中，形成一種內(nèi)核高鎳，中間過渡，外殼的低鎳的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了梯度濃度材料和核殼結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)點(diǎn)，保證材料良好的電化學(xué)性能。

在電化學(xué)測試中，這種新型結(jié)構(gòu)的材料在3.0-4.3V的電壓范圍內(nèi)，比容量為172.5mAh/g，相比于普通的NCM材料，該材料在循環(huán)性能上也有優(yōu)異的表現(xiàn)，200次循環(huán)容量保持率為78.5%，較普通NCM材料有較大的提升。同時(shí)材料在55℃高溫條件下的循環(huán)性能也得到加強(qiáng)，100次循環(huán)，容量保持率為85.8%。熱失重實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，該材料在熱穩(wěn)定方面也有較大的提升。

這種方法使得NCM材料的性能獲得了極大的提升，雖然相比于NCA材料還有差距，但是這種方法對NCM和NCA等三元材料的生產(chǎn)具有重要的啟示意義，生產(chǎn)中可以結(jié)合實(shí)際情況，利用該項(xiàng)技術(shù)對生產(chǎn)工藝相應(yīng)的改進(jìn)，提高材料的性能，滿足下游鋰離子電池生產(chǎn)商對電化學(xué)性能和安全性能的需求。