瑞浦蘭鈞夏保佳：提高高鎳材料的安全性勢在必行
“瑞浦蘭鈞成立將近5年，現在已經有26GWh產能投產，還有30GWh在建設當中，另外還有100GWh已經啟動。”在日前遂寧召開的“2022中國（遂寧）國際鋰電產業大會暨新能源汽車及動力電池國際交流會”上，瑞浦蘭鈞能源股份有限公司技術顧問夏保佳博士在演講中如是介紹。
圖為瑞浦蘭鈞能源股份有限公司技術顧問夏保佳作演講
在產品研發方面，瑞浦蘭鈞計劃用三元正極配合傳統活性石墨，把電池比能量做到250-280Wh/kg，且適合在零下20℃的環境下充電。然后，會用傳統石墨還有硅負極體系，把比能量進一步提高，循環次數大于2500次，可以滿足零下30℃環境下的充電需求。
“再往后會用超高鎳配合硅材料，半固態電池做到300-350Wh/kg的能量密度，循環次數小于2000，可以滿足零下30℃的充電需求。全固態做到350Wh/kg的能量密度。”夏保佳透露。
高鎳體系是中長期趨勢
新能源汽車對續航里程要求不斷提高，促進了高鎳材料的發展。夏保佳指出，高鎳材料不僅在重量上有優勢，而且在體積上也有優勢。所以歐美市場非常傾向于高鎳正極材料的應用，尤其是在高檔車方面。從技術角度而言，4680等大圓柱電池路線的興起，為更好匹配高鎳材料提供了廣闊的市場。
“尤其是負極用硅制材料的話，正極匹配高鎳材料，對于圓柱電池非常有優勢。另外，固態電池也更加適合高鎳正極材料的應用，充分發揮其能量密度的優勢。成本角度看，高鎳材料與磷酸鐵鋰的差距也在不斷縮小。”夏保佳進一步說。
從市場需求上看，高鎳正極材料這幾年復合增長率都在53%以上，未來幾年將是增長最快的正極材料。隨著國內外廠商在上游的一體化資源布局、正極產能擴張節奏加快以及自身技術迭代進步，正極材料市場將加快增長。根據全球廠商規劃，2024年全球高鎳材料產能將達150多萬噸。
為追求電動汽車更高的續航里程，高鎳體系動力電池是中長期發展的趨勢。不過，就目前而言高鎳材料在安全性方面仍存在一些問題。
夏保佳指出，隨著鎳含量增加，氧的活性增加，材料自身穩定性就會下降。2020年以來，發生了多起電動汽車燃燒事件，其中不少涉及高鎳電池。雖然隨著各項技術的升級，中鎳高電壓也取得很大進展，但受到材料本身穩定性和電解液雙方面的制約，中鎳高電壓比容量和循環壽命都出現天花板。所以進一步提高高鎳的安全性勢在必行。
改善高鎳材料安全性的措施
關于體相改善高鎳正極材料安全性的措施，夏保佳表示，“一個是變成逐向分布，對于提高材料的穩定性和安全性是有利的”。由三元變成四元，就是鎳鈷鋰錳可以提高強度，增加熱穩定性。從晶體角度，單晶化也是一個有效措施。
表面是電化學反應的場所，所以要保持活性。但是夏保佳指出，如果活性很高，與電解液反應非常劇烈，這對安全性是不利的，所以要平衡好表面活性和鈍化的矛盾。另外，還要平衡好包覆均勻性和材料倍率特性，以及水性包覆與循環壽命的矛盾。
“高鎳材料特別怕水，實現均勻包覆用水體是很好的技術路線”。夏保佳表示，同時要平衡油性包覆與成本環保的矛盾，這個技術亮點之一就是改性樣本材料穩定分布特別均勻，而且包覆很完整，可以抑制材料在電解液當中的溶解。這個方法可以進一步提高安全性，因為負極SEI膜也是觸發安全問題的重要原因之一。
實驗表明，材料改性包覆之后的熱特性也可以得到明顯改善。夏保佳談道，在加熱實驗中，未包覆材料在121.5℃的時候發生明顯熱失控；而包覆材料在160℃的時候溫度沒有上升，反而降低了。在短路實驗中，改性后的材料短路的時候溫度更低，發熱量也降低。在過充測試、針刺實驗中，改性后的材料也表現了明顯安全優勢。
在體系優化方面改善高鎳材料安全性的措施。夏保佳指出，多晶和單晶材料各有優缺點。比如，多晶比容性高，但穩定性差；單晶有好的穩定性，負反應少，但動力學性能比較差。瑞浦把單晶和多晶按一定比例混合以后制備成電極，發揮了單晶和多晶各自的優勢，特別是可以有效釋放多晶材料的應力，減少多晶材料的裂紋，從而提高安全性和循環壽命。
此外，高鎳與磷酸錳鐵鋰進行混合也可以提高安全性。夏保佳表示，錳元素和鐵元素均勻分布，穩定性很好。同時，磷酸錳鐵鋰是一個小粒徑，與高鎳混合時填補在高鎳縫隙里面，一旦熱失控，錳鐵鋰就是很好的隔離物。
“高鎳三元材料和錳鐵鋰混合以后，熱失控耐受溫度可以提高20℃，穿刺測試比例達到二分之二，相關結構對于超高鎳體系也適用。”夏保佳進一步補充說。
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