對於鋰離子電池正極材料,單晶NCM523與多晶NCM523應該怎麼選

2020-12-05 新能源Leader

隨著新能源汽車的快速發展，越來越多的電動汽車開始進入到普通消費者的生活之中，對於電動汽車人們擔心的主要有兩點：1）續航裡程，這主要與鋰離子電池的能量密度有關；2）使用壽命，這主要與鋰離子電池的循環壽命有關。近年來隨著電動汽車的續航裡程的不斷提升，動力電池的能量密度也在持續升高，然而高能量密度帶來的一個負面影響就是循環壽命的下降，這似乎是動力電池無法逃脫的一個宿命，然而近年來開始出現的單晶材料似乎為高能量密度鋰離子電池的長壽命之路點亮了一盞指路明燈。

2017年加拿大達爾豪斯大學的Jing Li（第一作者）和J. R. Dahn（通訊作者）對單晶NCM523和多晶NCM523材料在軟包電池中性能表現進行了深入的研究和分析，研究表明單晶NCM523材料更適合應用應用在對循環壽命要求比較高的領域。

多晶NCM523材料雖然二次顆粒的直徑可達10um以上，但是實際上其一次顆粒的尺寸僅為200-400nm，而單晶NCM523材料的單個顆粒直徑為2-3um左右（如上圖所示），要遠大於多晶NCM523一次晶體顆粒的尺寸。

下圖為單晶NCM523材料顆粒的掃描電鏡圖片，從圖中能夠看到單晶NCM523材料中少數的較大顆粒是由多個晶體顆粒組成，大部分的顆粒還是由單一晶體構成。

下圖展示單晶NCM523（SC-523）和多晶NCM523（UC-523），以及Al2O3包覆NCM523（AC-523）三種材料在扣式半電池中在3-4.5V、3-4.4V和3-4.3V電壓範圍內的充放電曲線，電流密度為10mA/g（C/20），測試溫度為30℃。下表為三種材料在4.3V、4.4V和4.5V截止電壓下的比容量數據，從下圖中可以看到AC-523材料的可逆容量在各個電壓下都是最高的，分別可以達到174.6mAh/g、188.1mAh/g和199.2mAh/g，而單晶NCM523材料的比容量分別為165.6、179.2和189.9mAh/g，是三種材料中最低的。

下圖為三種材料與石墨負極製作的軟包電池的庫倫效率隨循環次數的變化趨勢，測試條件為3-4.4V，溫度為40℃，分別採用了不同的電解液添加劑，從下圖中能夠看到無論是在哪種電解液中採用單晶NCM523的電池的庫倫效率都要明顯好於多晶NCM523材料，這也表明單晶材料的界面穩定性更好，能夠減少副反應的發生。

為了進一步驗證單晶NCM523和Al2O3表面包覆NCM523材料的界面穩定性，作者採用PES211電解液，石墨負極製作軟包電池，分別在4.4V、4.5V和4.6V和40℃下分別浮充100h，從下圖能夠看到單晶NCM523材料在整個浮充過程中產氣體積非常少，分別為0.01、0.01和0.04mL，而多晶NCM523材料儘管表面包覆了Al2O3，但是其產氣的體積仍然高達0.07、0.27和0.62ml，該實驗表明單晶NCM523材料能夠很好的抑制副反應的發生，從而減少高電壓下的產氣。

下圖為三種材料在不同SoC狀態下進行加熱時釋放O2量的測試結果，從下圖d-f能夠看到多晶NCM523材料在80℃附近還有一個小的釋放O2的峰，特別是在高SoC狀態下這一峰變的更為明顯，而單晶NCM523材料在這一溫度下並沒有出現釋放O2的峰。從下圖a-c能夠看到三種材料在200-350℃的範圍內也有一個釋放O2的峰，隨著SoC的提高，該峰的強度也出現了明顯的升高，雖然三種材料在這一範圍內都出現了O2釋放峰，但是單晶材料峰值溫度是最高的，這也再一次表明單晶NCM523材料在熱穩定性上要比常規的多晶NCM523更加優異。

下圖為單晶NCM523和多晶NCM523與石墨製備的軟包電池採用不同電解液在40和55℃下的循環性能（C/2，3-4.4V）對比，從下圖能夠看到無論是在40℃，還是在55℃下，單晶NCM523材料的循環性能都要明顯優於Al2O3包覆的NCM523材料，例如在40℃下採用Q2FEC和PES211電解液的單晶NCM523電池在經過300次循環後，容量保持率仍然可達98%，而Al2O3包覆的NCM523材料的電池在採用同樣電解液的情況下，循環300次後容量保持率僅為92%，在55℃下這一差距更加明顯，採用PES211、Q5FEC和1BFC電解液的單晶NCM523材料電池循環300次後容量保持率可達94%以上，而Al2O3包覆的NCM523材料電池的容量保持率還不到85%。

總的來看，單晶NCM523材料在比容量上要低於多晶NCM523材料，但是在產氣、熱穩定性，特別是在循環性能上單晶NCM523材料都要明顯的優於多晶NCM523材料，因此單晶NCM523材料更適合應用在一些對倍率性能要求不高，但是對於循環性能有較高要求的領域。

本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。

Comparison of Single Crystal and Polycrystalline LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2 Positive Electrode Materials for High Voltage Li-Ion Cells, Journal of The Electrochemical Society, 164 (7) A1534-A1544 (2017), Jing Li, Andrew R. Cameron, Hongyang Li, Stephen Glazier, Deijun Xiong, M. Chatzidakis, Jenn Allen, G. A. Botton and J. R. Dahn

文/憑欄眺

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