中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的貫徹實(shí)施,，新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入快車道,。正極材料作為電池成本占比最高的一部分,，其市場(chǎng)需求迎來了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。2023年8月15日到16日,，2023先進(jìn)正極材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術(shù)研討會(huì)在山城重慶隆重召開,，會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到了業(yè)內(nèi)專家,、學(xué)者,，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對(duì)話欄目，進(jìn)行訪談交流,。本期,，我們邀請(qǐng)到的是電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院的劉興泉教授。
劉興泉,，理學(xué)博士,，中國(guó)民盟盟員，中組部,、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”人才,，中國(guó)科學(xué)院研究生院教授，博士生導(dǎo)師,；電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師；中國(guó)能源學(xué)會(huì)理事,；國(guó)家能源材料與器件專家委員會(huì)常務(wù)委員,； 2021年中國(guó)科學(xué)家論壇“十四五”高質(zhì)量發(fā)展創(chuàng)新人物，2023年中國(guó)科學(xué)家論壇副主席,。目前研究領(lǐng)域：全固態(tài)鋰/鈉電池用固體電解質(zhì),、高能量密度鋰/鈉離子電池新型電極材料設(shè)計(jì)與制備技術(shù)；鈉離子電池及其電極材料,；鋰硫電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究,；常溫常壓下電化學(xué)催化合成氨、電化學(xué)催化分解水制氫和氧,；鋅離子電池及應(yīng)用,。
粉體網(wǎng)：想問一下劉教授,，高鎳二元正極材料中,，當(dāng)提高鎳含量的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致材料的性能降低,，這是由哪些原因?qū)е碌模?/strong>
劉教授：對(duì)于目前高鎳材料來說,，當(dāng)提高鎳含量時(shí)，性能都是呈一個(gè)下降趨勢(shì)。主要原因有以下方面：第一,，鎳是比較活潑的金屬,，在鎳含量比較高的情況下，隨著充電深度的增加,，鋰離子脫出率增加,，相應(yīng)高價(jià)鎳含量會(huì)不斷增加。高價(jià)鎳對(duì)電解液具有很強(qiáng)的氧化作用,，而且高價(jià)鎳氧化物本身也可以在一定條件下釋放原子態(tài)氧,，原子態(tài)氧也可以氧化電解質(zhì)，產(chǎn)生二氧化碳和水,，使電池產(chǎn)生脹氣或變形甚至爆炸燃燒,。
第二，高鎳材料在合成過程中需要加入過量的強(qiáng)堿性氫氧化鋰,，導(dǎo)致材料合成出來以后殘留的堿含量很高,，影響材料的加工性能，而且表面上的殘堿導(dǎo)致的副反應(yīng)也會(huì)對(duì)循環(huán)性能造成非常大的影響,。
除了這兩方面外,，增加鎳含量后，由于導(dǎo)電性強(qiáng)的鈷元素減少,，會(huì)導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率下降,，使材料的倍率性能下降。這樣來看,，隨著鎳含量的增加,，如果不對(duì)高鎳材料進(jìn)行包覆、摻雜或其他方面改性的話,，其性能很難滿足消費(fèi)者的要求,。
粉體網(wǎng)：想問一下劉教授，高鎳二元正極材料除了包覆改性,，還有什么其他的措施嗎,？
劉教授：增加鎳含量的初衷是提高材料的能量密度。對(duì)于動(dòng)力電池來說是為了提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程,，但提高續(xù)航里程的前提是保證安全�,，F(xiàn)在高鎳材料存在著前面講的一些問題，我們可以采取包覆改性去克服這些問題,。包覆改性的效果也很好,，能抑制材料表面的副反應(yīng)，同時(shí)提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,，但治標(biāo)不治本,。
我們認(rèn)為要真正穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)，還需要對(duì)材料進(jìn)行摻雜，這也是大家都普遍認(rèn)可的方法,。摻雜的方法分為金屬離子摻雜和非金屬離子摻雜,、單摻雜和復(fù)合摻雜。摻雜都是在體相完成,，摻雜離子要進(jìn)入材料的晶格取代鎳或鈷,，對(duì)高鎳材料來說，主要是取代鎳,。通過摻雜后,，材料的結(jié)構(gòu)得到了進(jìn)一步的穩(wěn)定，而且摻雜進(jìn)去的元素也可以提高材料的離子和電子導(dǎo)電性,，提升材料的倍率性能和循環(huán)性能,。
粉體網(wǎng)：那高鎳材料中的鎳含量極限是多少？
劉教授：最早說的高鎳材料是指鎳在材料中的摩爾百分比＞50%,，現(xiàn)在的高鎳材料中鎳的摩爾百分比要＞80%,，鎳摩爾含量從0.8到1.0都算是高鎳材料。雖然區(qū)間比較寬,，但現(xiàn)在真正能夠使用的高鎳材料的鎳含量在0.92以下,。更高鎳含量的二元材料，比如說我們正在研究的鎳0.97,，鈷含量只有0.03,，這種材料距離使用還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。它的循環(huán)性能和倍率性能都是有問題的,，還需要進(jìn)行包覆和摻雜復(fù)合處理提升材料的性能,，然后才可以進(jìn)入應(yīng)用。但是通過我們的研究結(jié)果認(rèn)為,，對(duì)于高鎳材料,，鎳0.97有可能是一個(gè)極限的鎳含量。
粉體網(wǎng)：我們都知道高電壓鎳錳酸鋰材料的綜合性能比較優(yōu)異,，但是與之相匹配的高電壓電解液的問題還沒有得到解決,，這是否是高鎳材料的共性問題？
劉教授：現(xiàn)在高電壓材料有很多,，不只是鎳錳體系,。據(jù)我所知，富鋰錳基材料的充電截止電壓是4.8V-5V,，磷酸錳鋰的充電電壓在5V左右,，鎳錳酸鋰的充電截止電壓也可以達(dá)到5V。這些材料的充電平臺(tái)電壓都達(dá)到了4.5V以上甚至4.7V,，這對(duì)目前的電解液體系,，尤其是有機(jī)酯類電解液體系，提出了一個(gè)很大的挑戰(zhàn),。
現(xiàn)在的酯類電解液的極限耐壓一般是在5V,，比較安全的耐受電壓是在4.5V以下。鎳錳酸鋰高電壓材料的充電平臺(tái)電壓達(dá)到了4.7V,，磷酸錳鋰的充電平臺(tái)電壓也在4.7V,，用目前的酯類電解液有很大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵谶@個(gè)平臺(tái)電壓下電解液會(huì)分解產(chǎn)生二氧化碳,、水這些氣態(tài)物對(duì)電池的安全性會(huì)造成很大的影響,。
但現(xiàn)在高電壓電解液國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展也很大，發(fā)現(xiàn)了一些不用酯作為溶劑的電解液來克服這個(gè)問題,。比如說現(xiàn)在的聚陰離子型,、離子液體型這些電解液就可以上5V級(jí)的電壓。不排除這種電解液量產(chǎn)以后高電壓材料能夠有個(gè)迅猛的發(fā)展,。
粉體網(wǎng)：您在報(bào)告中也說了高鎳低鈷或者是高鎳無(wú)鈷是未來發(fā)展的趨勢(shì),，那您比較看好哪一種高鎳二元正極材料?
劉教授：現(xiàn)在國(guó)家2025戰(zhàn)略要求電芯的能量密度到2030年實(shí)現(xiàn)500wh/kg，按現(xiàn)在的電池體系,，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)還是比較困難的,。但是，我們完全可以通過高鎳材料和硅碳負(fù)極來實(shí)現(xiàn)2025年400wh/kg的目標(biāo),。
我比較看好的二元材料還是鎳鈷系,。就是在鎳含量提高的情況下，把鈷的含量盡量降低,，我們現(xiàn)在研究的鈷含量最低是0.025,，根據(jù)我們目前的研究結(jié)果，現(xiàn)在看要把這個(gè)材料應(yīng)用在工業(yè)上我覺得還很困難,。
但是富鋰錳基,，實(shí)際上算是錳的二元材料，它里面也含鎳,，但是這里面鎳是次要成分,，錳是主要成分。這個(gè)材料我認(rèn)為應(yīng)該是未來比較有發(fā)展前景的高能量密度材料,。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/喬木）
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