如果說現(xiàn)在什么材料最火，恐怕就是三元材料了。前一段時間采用三元材料動力電池的電動大巴車被工信部排除在政府補貼的名單之外，在鋰離子電池行業(yè)引起了軒然大波。為何三元材料如此被看好呢?我們今天就要好好梳理一下三元材料。
鋰離子電池誕生之初，能量密度只有50-70Wh/kg，經(jīng)過多年在電池結(jié)構(gòu)和電池材料方面的技術(shù)發(fā)展，如今鋰離子電池能量密度已經(jīng)可以達到200Wh/kg以上。但是傳統(tǒng)的正極材料鈷酸鋰已經(jīng)難以勝任高比能電池的需求了，因而迫切的需求一種全新的鋰離子電池正極材料，其中三元材料(鎳鈷鋁和鎳鈷錳三元材料)由于其較高的電池容量，材料的電壓與傳統(tǒng)LiCoO2接近，而備受人們的關(guān)注。
特別是NCA材料，其容量較高，并具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，因而特別適合應(yīng)用在一些對能量密度要求較高的高端電子產(chǎn)品領(lǐng)域。日韓高端的18650均使用NCA，目前日本量產(chǎn)的18650 最高容量可達到3.5Ah。松下NCA 18650電芯容量為3.2Ah，相當于每節(jié)電池存儲的電量為11.47WH(1度電=1000WH) ，而國內(nèi)的18650電芯做到2.8Ah算是極限了。松下在2012年下半年已量產(chǎn)了3.4Ah的18650電芯，據(jù)悉，更高容量的4.0Ah電芯也已開始小批量試生產(chǎn)。松下的改良型電芯遠遠高于國內(nèi)18650電芯容量所能達到的極限。
既然NCA材料具有如此優(yōu)異的性能，小編就帶著大家了解一下NCA材料。一般來說，我們所說的NCA材料都是指的高鎳NCA三元材料，例如LiNi0.8Co0.15Al0.05O2材料。與LiCoO2材料相似，NCA材料也具有層狀結(jié)構(gòu)，為?-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)，其中Ni,Co,Al的價態(tài)均為正三價，其中鋰離子占據(jù)巖鹽結(jié)構(gòu)的3a位，而其他金屬離子則占據(jù)3b位置，氧離子占據(jù)6c位置。
其中只有Ni和Co具有電化學(xué)活性，在充放電的過程中能夠貢獻容量。而Ni在材料中主要的作用就是提高材料的容量，Ni2+/Ni3+，Ni3+/Ni4+都可以為材料提高容量，但是由于Ni2+離子與鋰離子半徑接近，因此極容易進入到鋰層，從而造成容量的損失。Co可以減少Ni離子進入到鋰層，從而達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時Co3+/Co4+也能夠為材料提供容量。而Al的加入主要是為了穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，避免材料在充放電過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷。
雖然NCA材料具有優(yōu)異的性能，但是目前，NCA三元材料市場被日本化學(xué)，戶田和住友金屬三家壟斷，松下、索尼是NCA電池主要供應(yīng)商，臺灣也有少量應(yīng)用。Tesla效應(yīng)帶動下，國內(nèi)的電池材料廠商也開始紛紛投資進行NCA三元材料的研發(fā)，但是目前產(chǎn)品的技術(shù)成熟度相對較差，離真正的市場化應(yīng)用還有一段距離，國內(nèi)市場的NCA材料供應(yīng)還主要依賴于進口。
相比于LiCoO2材料，NCA材料的生產(chǎn)難點在于前軀體制備和焙燒合成過程，三元材料需要將三種金屬元素和鋰均勻混合，特別是Al的添加量相對較少，難以分散均勻，因此一般采用的共沉淀辦法，通過一定的工藝手段，使得所有元素同時沉淀，成為前軀體。
焙燒也是一大難點，Ni元素的穩(wěn)定價態(tài)為正二價，因此為了將其氧化為正三價，就需要在NCA材料的合成過程中采用富氧環(huán)境，這對焙燒設(shè)備的提出了很高的要求。此外NCA材料在實際應(yīng)用中也存在著一定的問題，由于其較高的鎳含量，使得其堿度較高，因此容易造成在勻漿和涂布的中，漿料粘度異常上升，使得生產(chǎn)過程無法進行。日韓電池生產(chǎn)商一般采取車間改造的方法，降低涂布間的環(huán)境濕度，但是這需要進行較大的資金投入。
此外，NCA材料的壓實密度也較低，因此也限制了電池能量密度的進一步提升。雖然NCA材料目前在應(yīng)用中還存在著很多問題，但是隨著技術(shù)進步，這些問題都會被逐步克服，也希望國內(nèi)長生能夠在NCA材料的生產(chǎn)技術(shù)方面取得突破，早日打破國外材料廠商的技術(shù)壟斷。
