鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液等組成，正極材料是鋰離子電池的重要組成部分，其優劣是電池電化學性能好壞的決定因素。在鋰離子電池中正極材料一方面提供正負極嵌鋰化合物間往復嵌脫所需的鋰，同時提供負極材料表面形成SEI膜所需的鋰。

在在設計和選取鋰離子電池正極材料時，要綜合考慮比能量、循環性能、安全性、成本及其對環境的影響。一般而言，正極材料應滿足

1. 允許大量Li+嵌入脫出(比容量大)

2. 具有較高的氧化還原電位(電壓高)

3. 嵌入脫出可逆性好，結構變化小(循環壽命長)

4. 鋰離子擴散系數和電子導電性高 (低溫、倍率特性好)

5. 化學/熱穩定性高，與電解液相容性好(安全性好)

6. 資源豐富，環境友好，價格便宜(成本低、環保)

鋰離子電池正極材料一般為含鋰的過渡金屬氧化物或聚陰離子化合物。過渡金屬往往具有多種價態，可以保持鋰離子嵌入和脫出過程的電中性; 另外，嵌鋰化合物具有相對于鋰的較高的電極電勢，可以保證電池有較高的開路電壓。

相對于鋰的電勢，過渡金屬氧化物大于過渡金屬硫化物。目前商品化的鋰離子電池中正極普遍采用插鋰化合物，如LiMn2O4、LiFePO4、LiCoO2、三元材料Li(NixCoyMnz)O2。LiMn2O4是尖晶石結構，LiFePO4是橄欖石結構，后兩者是六方層狀結構。

三元材料結構特點

與LiCoO2類似，三元材料具有層狀結構。Ni、Mn、Co隨機占據3b位置，氧原子占據6c位置，形成MO6八面體，Li原子占據3a位置，形成LiO6八體。Li+位于MO6八面體層間，可以在層間可逆的嵌入和脫出，如圖1所示。

圖1層狀正極材料晶體結構

三元材料是由LiNiO2改性而來，由于Ni、Co和Mn之間存在明顯的協同效應，因此NCM的性能好于單一組分層狀正極材料，被認為是最有應用前景的新型正極材料之一。

三種元素對材料電化學性能的影響不同，一般而言，Ni的存在有助于提高容量，但其含量過高將會與Li+產生混排效應，導致循環性能和倍率性能惡化。Co能有效穩定三元材料的層狀結構并抑制陽離子混排，提高材料的電子導電性和改善循環性能。Mn的存在能降低成本，改善材料的結構穩定性和安全性，過高的Mn含量將會降低材料克容量。

三元材料發展概述

三元材料主要有:

Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2，簡稱NCM111

Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2，簡稱NCM523

Li(Ni0.6Co0.2Mn0.2)O2，簡稱NCM622

Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2，簡稱NCM811

LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，簡稱NCA

這幾種三元材料的性能對比如下表所示。

表1三元材料性能對比表

為了解決鎳酸鋰的熱穩定和結構穩定性差的問題，Liu等將Co和Mn通過體相摻雜的方法引入到其晶體結構中，出現了最早的鎳鈷錳酸鋰三元成分，但采用的固相燒結方法無法達到鎳鈷錳三者在物體中原子級的分布，得到的電化學性能并不理想。

Ohzuku等采用共沉淀法合成了性能優異的NCM111三元材料，拉開了NCM三元材料研究的序幕。隨著能量密度要求的提升，三元材料向高鎳化(一般高鎳三元是指Ni含量在60mol%以上的三元材料)發展。

高電壓下正極材料與電解液之間各種副反應更劇烈，安全性變差，因此耐高電壓電解液對高鎳三元材料的市場應用造成了很大的制約。相比較而言，高鎳三元材料開發更快，Noh等采用共沉淀方法合成Li(NixCoyMnz)O2(x=1/3，0.5，0.6，0.7，0.8)系列材料，研究了Ni含量對其電化學性能、結構及熱穩定性的影響，發現電化學性能和熱性能與Ni含量密切相關。Ni含量升高，材料比容量和殘堿量增加，容量保持率和安全性則會降低。分析表明，其結構穩定性與熱、電化學穩定性相關，如圖2所示。

圖 2 NCM中不同Ni含量與比容量、循環和熱穩定性之間的關系

三元材料改性研究

正極材料的微觀形貌、粒徑大小及分布、振實密度及比表面等性質都對材料的加工及最終電池的電化學性能有很大的影響。為進一步提高高鎳三元材料的電化學性能和穩定性能，需要對其進行體相摻雜、表面包覆、梯度化及單晶化等手段進行處理。

體相摻雜改性

體相摻雜一般是摻入與材料中離子半徑比較接近的離子，目的是通過提高材料晶格能的方式來穩定材料的晶體結構，從而改善材料的循環性能和熱穩定性能。摻雜改進的元素一般分為金屬離子摻雜、非金屬離子摻雜和復合摻雜。

Huang等通過共沉淀和高溫固相合成工藝制備出Mg摻雜的NCM622材料，其研究結果表明Mg摻雜有效地抑制了離子混排，循環性能改善。XPS結果發現Mg的摻雜降低了材料表面的Ni2+/Ni3+值。根據第一原理計算結果顯示，Mg的摻雜增加了Li+遷移的活化勢能，但摻雜過量會導致材料倍率性能的惡化。

Kageyama等采用固相合成工藝制備出摻F的NCM111材料，測試表明，通過改變了過渡金屬離子的價態，從而改變了其晶格結構參數。更重要的是F的摻雜促進了晶粒生長并改善了結晶性能。較低摻雜量就可以穩定材料循環過程中活性物質和電解液之間的界面，大大改善其循環性能。摻雜量過高會造成取代不均衡，反而會嚴重惡化其電性能。

包覆改性

表面包覆是指直接在材料的表面通過物理或化學手段形成一層穩定的保護層以隔絕本體材料與電解液直接接觸的改性技術。表面包覆的目的是保持材料表面結構的穩定，避免材料與電解液的直接接觸以及抑制高電位下過渡金屬離子的溶解。一般要求包覆材料具有比較穩定的化學結構以及具備良好的電子、鋰離子導電性，以有利于電極內電子的傳導和鋰離子的擴散。包覆的材料一般分為單質包覆、氧化物包覆、氟化物包覆和磷酸鹽包覆等，其中以氧化物包覆最為常見。

Kim等用食糖作為碳源，以350℃熱解1h，得到包覆碳的NCM111材料，碳質量分數為1%的樣品5C放電容量為0.1C放電容量的87.4%，高于未包碳材料的84.9%。DSC測試表明碳包覆還可以提高材料的熱穩定性能。

Cho等用納米級SiO2通過濕法包覆工藝對NCM622進行表面包覆，EIS測試結果表明，包覆物質抑制了界面間副反應的發生，減少了HF的影響。倍率性能下降，但熱穩定性和循環性能有所改善。Kim等用溶膠-凝膠方法在NCM111上包覆4nm的γ-Al2O3，包覆后材料的倍率和循環性能改善，但初始放電容量并未降低。EIS測試結果解釋了Al包覆后的性能更好的原因。

梯度結構

為了改善高鎳三元材料的穩定性，Sun等提出了核-殼材料的概念，采用共沉淀方法先制備出Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2，在其表面沉淀出Ni0.5Mn0.5(OH)2，得到(Ni0.7Co0. 15Mn0.15)1-x(Ni0.5Mn0.5)x(OH)2。

再與Li源混合經高溫燒結后制備出了Li[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)1-x(Ni0.5Mn0.5)xO2，該材料具有高容量又兼顧了熱穩定性高、循環性能優異的特點。但如果工藝不當，核殼結構不夠穩定，長時間循環后可能會有脫落現象。其團隊又提出了納米全梯度的概念，即整個材料的從外到內Ni含量依次增加，Mn含量依次減少，Co含量基本不變。制備出的材料從容量、倍率、循環和熱穩定性等綜合性能均為優異。

圖3全梯度三元材料設計及性能對比

4 單晶化

一般的三元材料都是由許多一次晶粒組成的團聚顆粒體，這種材料在制作電池極片時如果壓力過大會導致二次顆粒破裂，團聚體內部的一次顆粒與電解液接觸增加，會加速其容量的衰減。同時團聚體高鎳三元材料比表面積大，也會增加與電解液接觸，導致產氣產生。

為避免這種情況發生，研究人員提出了單晶化的思路，制備出了單晶型的三元材料。這種材料壓實高，循環好，安全性也較高，在高電壓下使用更穩定，兼具高壓實和高電壓的優點，因此引起人們越來越多的注意。

目前商品化的單晶產品是NCM523，Li等認為較高的Li/M和燒結溫度更有利于單晶化，與多晶的材料相比，他們制備的NCM523單晶雖然在相同電壓下容量低。但在高溫和較高電壓下其循環穩定性優良。與相同電解液配對測試時，原位氣體測量表明在40℃時電壓分別在4.4V、4.5V、4.6V下保持300h單晶材料制作的電池產氣量較小。測試也發現單晶型材料穩定性更好。

Duan等通過共沉淀法合成出大比表的Ni0.85Co0.15Al0.05(OH)2前驅體，再與Li源混合后煅燒得到單晶型的SNCA材料，與傳統的NCA產品相比，壓實更高、循環性能更好。同時單晶型產品的比表較小、結構更穩定、粒度均勻分布，其存儲性能更優秀。

圖4單晶型NCA和多晶型NCA性能對比

三元材料的市場應用

3C 市場

3C市場是指手機、筆記本電腦、數碼相機、電動工具、電子煙及無人機等領域。這些領域電池要求具有高能量密度、長循環壽命及可快速充放電的能力。之前使用的材料主要是鈷酸鋰，并且向著高電壓方向發展。由于Co價居高不下，在圓柱電池領域三元材料已經大批量應用。

單晶型的三元材料更是因為壓實密度高，高電壓下性能穩定，在小型領域開始暫露頭角。一開始是LCO摻NCM，最近的趨勢是純用三元材料。在能量密度要求較高的圓柱市場領域，NCA和NCM811已經在大批量出貨。但高鎳型三元材料對使用環境要求比較苛刻，要嚴格控制環境濕度。材料本身制備過程要嚴格控制濕度，防止材料表面殘堿產生，在電池生產過程全流程濕度也要控制在10%以下。

動力市場

動力型電池主要關注高能量、高安全性及低成本化。目前是向著高能量密度方向走，材料的開發一定程度上無法快速滿足需求。隨著能量密度提升進入瓶頸期，快充技術會顯得越來越重要，當然動力電池的安全性首先必須得到保證。用戶的需求必然要求能量密度、快充技術及安全性三者之間有一個很好的平衡。動力電池應用市場主要有以下兩個方向。

高能量密度型應用

世界主要國家都制定了新能源動力電池技術路線圖，并制定了燃油車停售時間表。2017 年3月1日，工信部、發改委、科技部和財政部四部委聯合印發了《促進汽車動力電池發展行動方案》，產品性能上提出2020 年動力電池系統比能量達到260Wh/kg( 其中單體比能量密度達到300Wh/kg)、成本降至1元/Wh以下，2025年動力電池單體比能量達500Wh/kg的目標。

三元材料已逐漸成為動力電池市場的主流趨勢，高鎳三元材料更是當前研發和產業化的熱點。國內外主要汽車公司包括Nissan、Tesla、GM、三菱歐藍德以及國內的北汽新能源、BYD、吉利汽車等生產的乘用車均已使用三元或二元高比能電池。之前一直堅持使用磷酸鐵鋰的比亞迪也開始發力三元電池。

表 2 國內外主流車企與電池類型選擇相關信息

全球較大規模的三元材料企業主要集中在中日韓三國，合計占約占50%的市場份額。日本企業相對布局較早，技術積累較為雄厚。韓國企業迅速崛起，目前在技術和質量控制方面也達到較高水準。全球車用鋰電正極材料產量預測如圖5所示。目前國內的主要電池企業也都轉向了三元材料的開發，產業集中度和技術水平不斷提升，包括北京當升科技等企業已進入國內外主流電池公司和知名車企配套產業鏈。

圖5全球車用鋰電正極材料產量預測

高功率型應用

三元材料的高功率電池市場應用，一般啟停電源、電動工具、航模和無人機等均要在高倍率下使用，主要使用鉛酸電池、低鎳三元材料。受限于正負極材料之間的電子傳遞和離子擴散較低的庫侖反應動力學，無論是消費型還是動力型鋰離子電池倍率性能較差，導致相應的充電時間較長，目前常用的消費型鋰電池充滿電時間都在1h以上，車用電池需要的時間更長。動力電池短期來看重視的是能量密度、安全性，未來在保證兩者的基礎上充電速度會越來越受到重視。

Tang等人論述了快充鋰電產品用的材料設計。他們基于電化學反應的熱力學和動力學分析，認為高倍率型鋰電需要正負極材料具有高倍率性能的同時要兼具高可逆容量。所需電極材料需要滿足以下條件

1. 鋰離子和電子的快速電化學反應動力學;

2. 高的離子擴散率和電子電導率;

3. 離子和電子短的擴散路徑;

4. 有利于鋰離子脫嵌的原子結構。

除了上述手段還可以通過采用納米結構、表面修飾、摻雜及材料復合設計來實現。為了滿足未來鋰電池的實際需要，理想的倍率型(10C以上)高性能鋰電池要比目前商用產品提高一個數量級，才能在使用上和目前燃油車有相互競爭的可能性。隨著技術不斷進步，能滿足使用的快充型動力電池會更快的得到應用。

儲能市場應用

目前，鋰電池在儲能上的技術應用主要圍繞在電網儲能(電力輔助服務、可再生能源并網、削峰填谷等)、基站備用電源、家庭光儲系統、電動汽車光儲式充電站等領域。

儲能市場目前應用的主要是LFP和低鎳三元材料，國際主流大公司LG、三星和特斯拉主要采用低鎳三元材料。目前儲能領域尚在培育期，一旦市場打開，對三元材料的需求將會有一個爆發式增長。

NCM三元正極材料具有高容量、長壽命、低成本及原料來源豐富等優點，是一種極有應用前景的鋰離子電池材料，無論是在小型鋰電池市場以及動力電池市場都極具潛力。隨著對電池能量密度需求的日漸上升，NCM三元材料向著高鎳化和高電壓方向發展，但高鎳三元材料容易產生陽離子混排和充放電過程中相變等問題，高電壓下也會加劇材料結構變化。這些都會給電池安全帶來很大隱患。

為了解決上述問題，一般需要對高鎳三元材料進行摻雜和包覆，改善材料的內部結構和表面結構穩定性。近年來對三元材料進行核殼結構設計或全梯度結構設計，包括單晶化設計思路等都是基于兼顧高能量密度和安全性方面的考慮。相信隨著研發人員努力、資金投入及市場需求推動，NCM三元正極材料必將得到快速發展，不斷解決電池使用中的問題，給人們生活帶來更大的便利。

原文標題：鋰離子電池三元正極材料研究及應用進展

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責任編輯：haq