动力电池专题报告：材料、结构、工艺、超级电容、固态电池（42页）

三元正极材料一般指 NCM 或者 NCA。对于 NCM 材料，在充放电过程 中+4 价的 Mn 不变价，在材料中起到稳定材料结构的作用，而 Ni 和 Co 会 发生变价反应。当充电电压低于 4.4V 时，一般是 Ni 参与电化学反应，继续 充电，在较高电压下，Co 会参与反应。因此，在 4.4V 以下充放电时，Ni 含量越高，材料可逆容量越大；Co 含量显著影响材料的离子导电性，Co 含 量越高，材料离子的导电性越好，充放电倍率性越好。相对于 NCM，NCA 材料是用 Al 替换了 Mn，其中 Al 的作用也是稳定结构。 如图 7 所示，随着 Ni 含量的提升，三元材料的克容量不断增加，但热 稳定性和容量保持率均有所下降。也就是说，对于三元电池，镍含量的增加 有助于提升能量密度，但同时导致安全性和循环性变差。

使用高能量密度的动力电池从而提升续驶里程对电动车行业至关重要， 高镍三元电池具有较高的能量密度，而且镍含量提高的同时钴含量降低，可 以进一步降低电池成本，因此高镍低钴电池成为产业界共同努力的技术方 向。但本身高镍三元材料也有一些缺陷，随着三元材料中 Ni 含量增加：  电池循环性能趋于变差，影响电池使用寿命。  和二氧化碳、水反应导致材料表面的氢氧化锂、碳酸锂含量增高， 影响电池的加工和电化学性能。  材料热稳定性变差，从而影响电池安全性。 与电解液的匹配难度加大，活性材料的腐蚀和电解液的分解会影响 电荷的传输。 特斯拉正在布局低钴高镍锂电池，根据 2020 年 4 月 23 日披露的专利 《Method for Synthesizing Nickel-Cobalt-Aluminum Electrodes》，特斯拉 发明了一种单晶 NCA 材料制备方法。首先按照 Li/其他金属的摩尔比小于 1 的比例混合 NCA 前驱体和氢氧化锂，然后加热混合物到生长单晶的温度， 这样可以避免杂质 Li5AlO4的形成，但由于该比例小于 1，这种材料的电化学 性能较差。因此，在第二次加热的过程中，需要添加过量的 Li，最终生成的 材料中 Li/其他金属的比例接近 1，这样就可以制备出无杂质的单晶 NCA 材 料，杂质减少可能有助于延长电池的使用寿命。