【鈷鋰峰會】吳層:實現新能源汽車發展目標關鍵在於正極材料技術

SMM網訊：近幾年國家對新能源戰略發展做出了諸多規劃，頒布了一系列的政策給予支持，同時也提出了未來發展目標。在2018年4月12-13日，由上海有色網（SMM）主辦、浙江華友鈷業股份獨家冠名的「2018（第三屆）鎳鈷鋰產業鏈峰會」上，宜賓鋰寶新材料有限公司技術中心副總經理吳層表示，這些規劃所提出的目標能否實現關鍵主要在於正極材料技術的發展。會上，他就動力鋰離子電池對正極材料的要求和鎳正極材料NCA研究現狀，及NCA產品技術發展和市場展望做了詳細的分析和介紹。

動力鋰離子電池對正極材料的要求

吳層首先帶著我們梳理了有關新能源汽車的相關國家政策：

2016.03  十二屆全國人大四次會議表決通過國家「十三五規劃綱要」，推動戰略前沿領域創新突破,加快突破新一代信息通信、新能源、新材料等領域核心技術。

2015.05 《中國製造2025》將「節能與新能源汽車、新材料」列為重點發展領域。

2015.04 國家發改委、能源局聯合下發《能源技術革命創新行動計劃(2016-2030年)》，明確我國能源技術革命的總體目標。

2015.02 科技部《國家重點研發計劃新能源汽車重點專項實施方案（徵求意見稿）》提出完善電動汽車「三縱三橫」技術體系和新能源汽車研發體系。

2012.06 國務院印發《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020年）》。

2012.04 科技部發布《電動汽車科技發展「十二五」專項規劃》確定「純電驅動」的新能源汽車技術轉型戰略，重點研究鋰離子動力電池等電動汽車關鍵部件。

2012.02 工信部《新材料產業「十二五」發展規劃》及《新材料產業「十二五」重點產品目錄》將鋰離子動力電池及其關鍵材料列為重大專項工程和重點產品目錄。

2010.10《國務院關於加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，將新能源、新能源汽車、新材料等7個產業列為國民經濟的先導產業和支柱產業。

2009.02 國務院審議通過《汽車產業振興規劃》，首次提出發展新能源汽車戰略。

他指出能否達到國家政策規劃所提出的目標，其關鍵主要在於正極材料，因為正極材料的性能直接影響著電池的性能，其成本也直接決定電池成本高低，其中高鎳的三元材料是當前研發和產業化的熱點。

吳層比較了各大汽車廠商對於新能源汽車材料選擇，其中特斯拉選取的是便是新一代鋰電池NCA三元材料，特斯拉CEO馬斯克此前表示，這將是全世界最高密度且最便宜的鋰離子電池，由於同等能量下，所需電池的數量可減少約1/3，整車能量密度將得到提升，而未來有望通過大規模量產使得動力電池成本降低9成。

對於未來電動汽車及動力鋰離子電池發展目標，吳層預測了兩個重要指標：

1、純電動汽車（BEV）的續航裡程大於300公裡；

2、鋰離子電池的能量密度要達到300Wh/kg。

高鎳正極材料NCA研究現狀

吳層詳細的論述了高鎳正極材料存在的一些問題：

首先，高鎳材料放電比容量高，能量密度大。

其次，Ni3+/4+與O能帶重疊，脫鋰狀態O會從晶格中脫出，這導致了鋰鎳混排嚴重，結構不穩定，從而使得同時表面鹼性高、對環境溼度和CO2敏感。高鎳正極材料的循環穩定性、安全性能變差，儲存和加工條件也越發的苛刻。

綜合市場上來看，NCA （鎳鈷鋁）和NCM8119（鎳鈷錳酸鋰）是目前高能量密度材料中綜合性能較好的體系。

但是兩者的循環性能和熱穩定性較差。

前不久，漢陽大學Yang Kook Sun等開發的Ni0.95材料容量接近240mAh/g，但材料不可逆相變嚴重，容量衰減快。

韓國科技大學對NCA首次充放電與結構衍變動力學做了一些研究，他們發現：

1、NCA結構衍變行為受充放電深度和充放電倍率的影響；

2、50% SOC充電狀態，材料表層出現少量類尖晶石相轉變，該轉變在放電過程中可以恢復；

3、在90%SOC充電狀態，表層和體相中出現明顯的結構相轉變。在低倍率（0.1C）下放電，相變基本恢復，但10C下放電相轉變不再恢復。

吳層對於以上這種高鎳正極材料中存在問題，提供了幾種解決的策略：

策略1-結構設計

高層狀結構的明顯特點是（100）和（010）晶面是Li+遷移的活性晶面，晶體結構會影響製備工藝參數選擇和容量、倍率性能、循環穩定性能、加工性能和安全性能。

策略2-水洗

經過水洗的處理之後，除去了LiOH和Li2CO3，LiOH轉為Li2CO3改善性能，將包覆層取代殘鋰相嗎，這會大大的改善性能。

策略3-表面包覆

在生產過程中，我們經常遇到界面產生副反應：煅燒過程中立方巖鹽相生成；吸收環境水分和CO2，殘鋰雜相生成；充放電過程鋰鎳混排和NiO相生成；充電狀態Ni4+與電解液分解反應。

如果繼續表面修飾，這會抑制界面各類副反應的發生，同時提高循環穩定性能，安全性能和加工性能

策略4-混合電極

Peter Keil對以LCO/NCA為混合正極的全電池老化做了研究，他發現低溫、高溫和大倍率都會影響NCA電池壽命；混合電極減小了幾何/機械應力，提高了電池壽命。