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2025-03-22 28 新能源及电力行业报告
随着 Ni 含量的增加,循环性能变差。造成这一现象的主要原因是随着 Ni 含量增加在充 放电过程中发生了多次相变。根据《储能及动力电池正极材料设计与制备技术》介绍, 多元材料在高电压和高温下存储或使用,晶体结构的对称性降低,能量处于高度非稳定 态,不可避免地在材料颗粒表面率先向类尖晶石相、岩盐相畸变,并逐步往颗粒内部扩 展,对于高镍材料此类相变尤为突出。这些相变在轻微发生时,正极材料的比容量、倍 率特性、高低温性能、存储性能、安全性能等都会发生不可逆的劣化;严重时材料失效, 不再具有电化学活性,甚至伴随与电解液的热失控反应,引发起火、爆炸等安全事故。 低镍材料良好的循环性能主要是由于抑制了 H2-H3 的相变。随着Ni含量的增高,表面残碱增高。根据《高镍三元正极材料失效机制与改性》介绍, 高镍表面残余碱的来源主要归为以下三个途径。首先,在高镍三元正极材料合成过程中, 一般需要加入过量的含 Li+化合物(如 Li2CO3或 LiOH)来补充煅烧过程中锂的损失,但 是电极材料表面过量的 Li2O 会与空气中的 H2O 和 CO2反应生成 Li2CO3、LiOH;其次, 在电池充放电过程中,电解液分解的碳酸盐易与电极材料表面 Li2O 或锂负极产生的 Li+ 反应生成 Li2CO3;
最后,高镍合成过程中由于过渡金属分布不均匀,其表面存在很多的 镍元素,从而显碱性。这些导电性极差的碱性含 Li+化合物阻碍了电子和 Li+的传输。同 时,这些副产物因具有高的 pH 值,会使高镍材料在 NMP 溶剂搅拌过程中容易吸水,从而导致其凝胶化,影响三元材料的浆料涂布和电池存储性能;另外,在充放电过程中, 高镍表面残余 Li2CO3和 LiOH 会与电解液中的锂盐发生反应,从而产生 CO2等气体,导 致电池发生严重的气胀现象,甚至引发爆炸。随着 Ni 含量增高,热稳定性变差。根据《高镍三元正极材料失效机制与改性》介绍, 材料的热稳定性能与其安全性能密切相关,高镍正极材料在充放电过程中会产生一部分 Ni4+,而高价态 Ni4+具有很强的氧化性,可以氧化电解液中的成分,产生一系列的副反 应和 Ni4+→Ni3+或 Ni2+的还原反应,为了补偿 Ni 价态变化中电荷的损失,O2-会以氧气形 式进行释放。因此,相比低镍正极材料,高镍材料会脱出更多的Li+,生成更多强氧化性 的高价态 Ni4+,造成电池热稳定性能下降。此外,该材料不仅只有过渡金属元素在充放 电过程中参与氧化还原反应,而且晶格中的负氧离子也参与电化学反应,在长期循环过 程中易产生氧气,可能会与电解质发生反应,从而使它们具有极为复杂的电荷补偿及结 构老化失效机制,导致结构和成分的快速失效,甚至引发电池热失控。同时,该类材料 在电化学循环过程中易出现不断的电压衰减情况,导致其能量密度持续下降,严重制约大规模应用。
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