单晶高镍三元正极材料研究进展丘吉祥

2024年4月2日发(作者：glc260l奔驰价格)

单晶高镍三元正极材料研究进展 丘吉祥

发布时间：2023-06-24T01:16:17.352Z 来源：《中国科技信息》2023年7期 作者： 丘吉祥

[导读] 本公司主要从事新材料技术推广服务、电子专用材料（危险化学品除外）、电子元器件与机电组件设备的研发，近年来，在电动汽

车新材料新能源的基础研究指引下，本公司团队加强了单晶高镍三元正极材料技术的开发研究，如今商业化的高镍三元正极材料一般情况

下呈多晶形貌，在其一个充放电循环周期内，多晶界的形态有时会发生一些严重的微裂纹，这样就会使锂电池在电池性能方面逐步变差。

而单晶形貌的高镍三元正极材料可以有效的解决这个问题，这也是最近锂离子电池正极材料增加续航能力的一个突破方向。本文简要的阐

述了单晶高镍三元正极材料的相关特点与其特定的制备方法，同时有根据的展示单晶与多晶高镍三元正极材料的参数对比，以及提出对单

晶高镍三元正极材料未来展望。

韶关东阳光科技研发有限公司

摘要：本公司主要从事新材料技术推广服务、电子专用材料（危险化学品除外）、电子元器件与机电组件设备的研发，近年来，在电

动汽车新材料新能源的基础研究指引下，本公司团队加强了单晶高镍三元正极材料技术的开发研究，如今商业化的高镍三元正极材料一般

情况下呈多晶形貌，在其一个充放电循环周期内，多晶界的形态有时会发生一些严重的微裂纹，这样就会使锂电池在电池性能方面逐步变

差。而单晶形貌的高镍三元正极材料可以有效的解决这个问题，这也是最近锂离子电池正极材料增加续航能力的一个突破方向。本文简要

的阐述了单晶高镍三元正极材料的相关特点与其特定的制备方法，同时有根据的展示单晶与多晶高镍三元正极材料的参数对比，以及提出

对单晶高镍三元正极材料未来展望。

关键词：单晶，电化学能源，三元正极材料

1. 前言

1.1新能源材料的应用背景

近年来，伴随全球能源危机的爆发和各个国家环保意识的不断增强，新能源材料已逐步成为电动汽车产业发展的研究热点。新能源材

料是指可以逐步替代传统化石能源的材料，如单晶高镍三元正极材料，太阳能电池板、风力发电、生物质能等，具有环保、可再生、节能

等优点。

新能源材料的应用范围非常广泛。单晶高镍三元正极材料主要用于电动汽车的锂电池，太阳能电池板可以用于光伏发电，为广大地区

提供更加清洁的电力能源；风力发电机则是利用自然的风力，产生电力，非常的环保、生态；生物质能是通过生物质能得转换发电，这也

是一种新型能源，主要利用有生命的植物提供的能量。除此之外，新能源材料还广泛的用于汽车、船舶、飞机等交通工具的动力系统，以

及涉及电力的工业生产、家庭用电等各个领域。

新能源材料的发展前景的非常巨大的，伴随着全球各个国家对碳排放量的关注程度和对传统能源的依赖度的降低，可以清晰的发现，

各种新能源材料的市场需求肯定会慢慢的增加。按照最近的新能源分析报告，到2030年，全世界的新能源材料的供应规模将有可能达到3.2

万亿美元以上。所以目前很多国家都在主动进行新能源新材料的研究，并把研究落实到各项实际应用，在这种良性的大环境发展下，许多

新型材料和新型设备将会不断涌现，从而推动新能源新材料的发展。

1.2高镍三元正极材料的提出及影响

三元正极材料LinixCoylnz02(xty+z=1，简称为NCM)的研究始于20世纪末期，当材料中的镍含量，0.6时，则被定义为高镍三元正极材

料。在电动汽车行业高速发展的背景下，高镍三元正极材料由于其自身特殊的材料特性，比如较高的能量密度(> 300 wh kg-1)和较高的工作

电压(~3.8 )被广泛关注。正是这些高能量密度和高工作电压，使得高镍三元正极材料可以很好的用于锂电池，可以大幅提升锂电池的续航能

力和工作强度。

目前，锂电池按照正极材料体系划分，可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元等多种技术路线。其中，钴酸锂+硅碳负极路线在很

早就已经实现了量产，其能量密度大、充放电稳定、工作电压高，主要用于一些小型电池的生产。而磷酸铁锂最早是在美国提出来，在加

拿大实现了量产，在中国实施是在2009年后，电动汽车产业刚开始发展的时候，这种磷酸铁锂的技术路线成为了当时的主要供电路线。三

元NCM是2001年提出的理论，国内三元材料是从2009年开始产业化，13-14年的时候产业慢慢的做大。从实际使用的角度来看，只有高镍三

元材料的能量密度才可以满足市场对电动汽车续航里程的要求，这也导致了80%以上的电动汽车目前都是搭载了高镍三元电池。

2. 单晶高镍三元正极材料的特点与制备方法

2.1 单晶高镍三元正极材料的特点

图一、多晶和单晶NMC正极材料中颗粒破碎及其与电化学性能相关性的示意图

2.1.1高镍化

针对当代电动汽车的需要来说，电池能量密度的要求越来越高，能量密度的需求变高，那就需要高镍化来实现。

目前，包括Model 3/Y、标致e-208、现代Kona、大众ID系列、宝马IX3/ X1、奔驰EQ系列、蔚来ES6、小鹏P7、哪吒U、爱驰U5、广汽

AionV、AION LX PLUS、吉利几何A等已上市车型均搭载了高镍电池。在大量的电动汽车电池的需求带动下，高镍化三元正极材料电池的

规模也越做越大。根据官网统计数据显示，2022年全世界的高镍三元材料的销售量为31.1万吨，同比增长92.52%，占三元正极材料总销售

量的37.11%；其中，中国高镍（7系及以上）三元材料占据了半壁江山，销售量同比增长164%。

单晶高镍三元电池现在已经作为全球电动汽车电池的一个主要选择，上下游产业链已逐步完善，市场份额已经被基本分割完毕。根据

当下电动汽车锂电池使用统计，包括宝马i3、奔驰EQS、奥迪Q4 e-tron、凯迪拉克LYRIQ、雪佛兰Bolt EUV、广汽丰田2022款 iA5、大众

2022 ID.4 CROZZ、Lucid Air、高合HiPhi X、智己L7等国内外中高端车型都在加大单晶高镍三元电池的使用比例。

未来高镍三元正极材料电池成本将会进一步的下降，这将必然导致高镍三元正极材料在后续市场肯定会保持一个高速增长，预计到

2035年全球交易量可以达到600万吨以上。本人所在公司，韶关东阳光科技研发有限公司也在不断加快高镍三元材料的研发进度，并不断取

得突破。

国际市场上，亚洲中日韩头部电池企业已经开始布局镍含量90%以上甚至完全无钴的高镍电池或固态电池，这表明超高镍三元正极材

料在未来必然是电动汽车电池的主要材料，将引领电动汽车锂电池的技术革命。

2.1.2单晶化

图二、单晶NMC正极材料的电化学循环和机械稳定性优于多晶NMC

对于常规的多晶高镍三元材料来说，单晶高镍三元材料具有负载电压更高、循环寿命更长、安全性更高等性能，这也表示单晶化是未

来三元正极材料的一个主要发展趋势。

其中单晶高镍三元正极材料独占鳌头，在高镍环境下，多晶三元材料的综合性能不稳定，单晶状态下明显更加稳定，并且具有更好的

循环性能，而且安全性能方面，单晶也比多晶有着更好的参数。在这种前提条件下，发展单晶高镍三元材料刻不容缓。2021年，国内单晶

产量达3.1万吨，占比升至29.9%，预计2025年国内单晶高镍三元材料的市场占有率将稳步提高至50%以上。这些数据都表明，三元正极材料

正朝着高镍化、高压化及单晶化的方向发展。能量密度、安全性能和成本，这三样东西将成为单晶高镍三元正极材料的关键，这也在无形

之中加大了生产工艺难度，对企业研究，工厂生产提出了更高的要求。

2.2 单晶高镍三元正极材料的制备方法

单晶高镍三元正极材料的化学式为LiNixCoyMn1