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三元正極材料形貌主要有單晶和二次球兩種形貌，二次球顆粒正極材料在極片輥壓和循環(huán)過(guò)程中顆粒容易發(fā)生破碎，導致電芯阻抗增加，循環(huán)衰減加快和釋氧氧化電解液產(chǎn)氣等一系列問(wèn)題。而使用單晶三元正極材料可以避免顆粒破碎帶來(lái)的負面問(wèn)題，而且單晶三元表面殘堿低，電池漿料容易制備，具有電芯產(chǎn)氣小和循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)。
圖1展示了電極的電化學(xué)窗口與電解液電化學(xué)窗口的關(guān)系和正極活性物質(zhì)失效的三種機制，包括：正極析氧、相轉變與正極顆粒的破碎、過(guò)渡金屬離子的溶出。
本文研究對比了市場(chǎng)上的單晶NCM811和二次球NCM811正極材料，商業(yè)化的電解液、導電炭用Super-P和少量的CNT混合導電劑，負極用比容量為350mAh/g的人造石墨，隔膜采用陶瓷涂覆和噴涂PVDF的PE隔膜，設計并制作了9010706型5Ah軟包疊片電芯，詳細地分析和測試了電池的主要性能，并提出鎳基高能量密度鋰離子電池的材料開(kāi)發(fā)方向。
1.實(shí)驗
1.1原料
NCM811正極材料(寧波容百)、負極材料(湖南镕鋰)、隔膜選用厚度為9μm的單層聚乙烯(PE)膜，雙面各涂覆1μm厚勃姆石，再?lài)娡縋VDF粉末。電解液(珠海賽緯)：CNT(北京天奈科)，Super P(瑞士特密高)，PVDF(蘇威5130)。
1.2方法
1.2.1正極制作
先加一定量的PVDF5130，然后按比例加入NMP不停攪拌，PVDF溶解均勻后按比例加入CNT和Super-P，攪拌3h，逐步加入NCM811粉料，攪拌5h后，抽真空150目過(guò)篩。制得的漿料即可出料密閉攪拌待用。在5Ah的電池中，NCM811正極片組成：NCM811、PVDF5130、Super P和CNT質(zhì)量比為97.2∶1∶1∶0.8，整個(gè)過(guò)程相對濕度環(huán)境控制2%以?xún)取?/span>
1.2.2負極制作
按比例加入羧甲基纖維素鈉(CMC)，再加入一定量的水進(jìn)行攪拌分散。攪拌1h后，按比例加導電劑(Super-P)，再攪拌1h加入石墨，攪拌3h后按比例加入丁苯橡膠(SBR)，繼續攪拌3h抽真空經(jīng)150目過(guò)篩即可出料攪拌待用。
1.2.3 電池制作
將正極漿料涂覆在鋁箔上，負極漿料涂覆在銅箔上。涂布后，將正極片和負極片分別進(jìn)行碾壓。然后進(jìn)行分切，放入真空烘箱100℃真空烘烤48h。真空干燥后的極片進(jìn)行疊片，疊片后極耳超聲波點(diǎn)焊，鋁塑膜包裝。放入真空烘箱80℃真空烘烤48h，然后注液、預充、化成和分容?；晒に嚾缦拢?50mA充電6h，然后500mA充電至4.2V；500mA放電至2.8V；充滿(mǎn)電?；珊蟮碾姵卦?5℃老化1d后，抽氣檢測，檢測制度：1650mA充電至4.2V，在4.2V恒壓至500mA截止，擱置10min后，以1650mA放電至2.8V截止，然后按上述充電制度充滿(mǎn)。制成的9010706型5Ah軟包疊片電芯如圖2所示。測試中用玻璃鋼夾夾持電池，夾具力600N。
2.結果與討論
高鎳NCM811三元材料的形貌如圖3所示。二次球NCM811材料D50=10.4μm，其一次顆粒大小約為200～600nm，材料中分布有4~14μm的二次顆粒，大小顆粒的存在使粉體的壓實(shí)密度容易做到3.45g/cm3左右。
而單晶NCM811三元材料的D50=3.7μm，其一次顆粒大小約為2～4μm，同時(shí)存在少部分的單晶團聚體，但是組成二次粒子的一次粒子數目明顯減少。另外，對粉末的其它指標進(jìn)行了匯總如表1所示。
表1中每組實(shí)驗抽檢了50只電芯進(jìn)行統計，設計容量均值達到5.0Ah以上，滿(mǎn)足設計要求，同時(shí)在0.33C倍率下，二次球NCM811和單晶NCM811的放電比容量分別為196.20和190.70mAh/g，二次球顆粒的容量和首次效率發(fā)揮略有優(yōu)勢，另外電池交流電阻二次球NCM811和單晶NCM811分別為4.38和5.54mΩ，二次球 NCM811略有降低。這是因為二次球NCM811的一次顆粒較小，同時(shí)二次球較大，二次球包圍的導電碳材料更多，更能降低電池電阻。
圖4(a)為不同SOC狀態(tài)下，單晶和二次球NCM811電芯的DCR比較圖。從圖中可以看出在20%~90%二者 DCR大小相差不大，都在12~14mΩ，在更低的10%SOC下的DCR，單晶NCM811正極制作電芯DCR增加較二次球NCM811電芯明顯，這主要與一次顆粒大小有關(guān)。二次球NCM811的一次粒子在200~600nm，是單晶NCM811一次粒子大小的約1/5。小的一次顆粒大小更有利于電池動(dòng)力學(xué)性能的提高，有利于降低電芯的DCR。這與圖4(b)中二者的倍率特性比較結果吻合。
圖5是二者在不同溫度下的循環(huán)性能對比圖。圖5(a)是在室溫25℃下的循環(huán)性能對比圖。從圖可知二次球NCM811在25℃下經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)后容量保持率為84.2%，而單晶NCM811電芯容量保持率為90.5%；由圖5(b)可看出高溫45℃下，二次球NCM811經(jīng)過(guò)1300次循環(huán)，容量衰減到80%，而單晶NCM811經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)，容量保持率還有86.3%；單晶 NCM811 顯示了優(yōu)良的循環(huán)性能。
單晶材料循環(huán)性能好的主要原因是循環(huán)過(guò)程中顆粒的完整性保持程度。二次球循環(huán)后期容易發(fā)生破碎，造成電解液沿著(zhù)一次顆粒晶界浸潤到二次球內部，在一次顆粒表面形成鹽巖相和尖晶石相副反應產(chǎn)物，造成二次球顆粒內部阻抗增加和容量衰退。而單晶三元材料組成二次粒子的數目少，一次顆粒不容易發(fā)生破碎，在長(cháng)期充放電循環(huán)過(guò)程中可以保持良好的顆粒完整性，以及與導電劑和電解液的界面接觸，電化學(xué)衰退速率明顯減慢，因此單晶三元材料將會(huì )是長(cháng)壽命動(dòng)力電池三元材料重要方向之一。
圖6是NCM811電芯高溫存儲和高溫產(chǎn)氣性能比較圖。從圖中可以看出在60℃ 100%SOC存儲下，經(jīng)過(guò)195d單晶NCM的容量保持率為88.7%；而相同天數下二次球NCM811電芯的容量保持率為86.0%，單晶NCM811電芯容量保持率較二次球NCM811電芯容量保持率高出2.7%。同時(shí)動(dòng)力電池電芯對產(chǎn)氣要求也極為嚴格，期望動(dòng)力電芯在全生命周期內不會(huì )因為過(guò)大的產(chǎn)氣而導致殼體變形或者防爆閥開(kāi)閥或者軟包電芯發(fā)生脹氣等現象。
從圖(b)數據可以看出采用排水法測體積的單晶NCM811電芯的產(chǎn)氣量較二次球電芯明顯減少，經(jīng)過(guò)85℃ 10d存儲，單晶NCM811和二次球NCM811電芯的體積增加率分別為48.3%和59.0%。單晶NCM811電芯產(chǎn)氣較二次球NCM811電芯優(yōu)勢明顯。這主要是因為單晶材料的表面殘鋰小，一次顆粒達到幾個(gè)微米，相比較亞微米的二次球副反應更低，能極大減少碳酸酯類(lèi)電解液的分解副反應所導致的產(chǎn)氣。
3.結論
本文采用二次球NCM811和單晶NCM811正極材料制作的9010706型5 Ah軟包電芯來(lái)研究單晶和二次球高鎳三元正極材料對電池主要性能的影響，得到以下結論：
(1)在倍率特性方面，二次球NCM811有一定的優(yōu)勢，尤其是在10%SOC的荷電狀態(tài)下。在循環(huán)性能方面，單晶NCM811室溫下經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)容量保持率還有90.5%，二次球NCM811在室溫25℃下經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)容量保持率為84.2%；在高溫45℃下，二次球NCM811經(jīng)過(guò)1300次循環(huán)，容量衰減到80%，而單晶NCM811經(jīng)過(guò)2000次循環(huán)容量保持率還有86.3%；無(wú)論是常溫還是高溫單晶NCM811材料都保持了更優(yōu)異的循環(huán)性能。
(2)在高溫100%SOC 60℃存儲方面，經(jīng)過(guò)195d 高溫滿(mǎn)電存儲單晶NCM811的容量保持率為88.7%；二次球NCM811電芯的容量保持率為86.0%，單晶NCM811高溫存儲性能高出2.7%。
(3)在100%SOC 85℃存儲電芯產(chǎn)氣方面，經(jīng)過(guò)85℃10 d存儲，單晶NCM811和二次球NCM811電芯的體積增加率分別為48.3%和59.0%。單晶NCM811電芯產(chǎn)氣較二次球NCM811電芯優(yōu)勢明顯。
以上說(shuō)明，使用單晶NCM811正極材料可以獲得高能量密度同時(shí)，還能設計出長(cháng)壽命、存儲更好、產(chǎn)氣更小的動(dòng)力電池產(chǎn)品，單晶高鎳三元材料將會(huì )成為重要的動(dòng)力三元正極材料。
