CIBF丨蜂巢能源李子郯：无钴正极材料技术与应用
盖世直播 2021-03-19 18:22:20
2021年3月18日，由中国化学与物理电源行业协会动力电池应用分会联合电池中国网共同举办的第二届新能源汽车及动力电池（CIBF深圳）国际交流会在深圳隆重召开。大会期间，蜂巢能源科技有限公司材料事业部总经理李子郯以《无钴正极材料技术与应用》为题发表了主题报告。
以下为演讲实录：
我是蜂巢能源材料事业部李子郯，今天主要是给大家分享蜂巢能源无钴正极材料的开发进展和应用。无钴材料从广义来说是分4种：1.钴酸锂；2.磷酸铁锂；3.立方晶体；4.高电压型5V立方晶体。今天我讲的是三元层状结构的无钴材料，就是把钴去掉。
（图）这是材料的结构，属于六方晶体，这是钴酸锂和三元的结构，有金属层、锂金属层，从排布来看，这种排布是最低能量，4价镍是很活泼了。最右边是三元的热扩散图，从钴、镍、锰三种元素合成的材料，颜色越红越稳定，所以，我们开始进行无钴材料、二元材料的设计就是下面这一条线路，锰和镍，没有钴，50%是镍，50是锰是最稳定的。我们就从黑色、深蓝到浅蓝的镍锰的比例来设计这一款材料。
随着镍含量的升高，容量非常高，但是无钴材料因为没有钴，锰多了，自然会带来2价镍就多了，2价镍混排就比较严重了，大家可以看一个数据，2元无钴的锂镍混排还是比较多了，跟三元材料相比，容量还是偏低的。
（图）这是我们公司二元无钴材料开发过程，这是国际学术机构对无钴材料的开发过程，2003年开始，日本就开发了5050的镍锰酸锂，但循环比较差。2006年，采用离子交换法开发第一镍锂混排的5050材料，容量高达183毫安/克。去年北大做了高锰系的，容量高达250以上，这就属于富锂锰级的范畴了。同一年，开发了5644的，他们认为含镍量5644比5050的情况更好。2015年，大家对于高镍热稳定性都不是很满意，但从学术上看，对于90以上的三元材料有钴和没钴，大家觉得有钴的安全性更好一些，从他们的研究得出来的结论，有钴反而不好，还不如镍和锰。2020年，镍90NCM和NCA，没有钴比有钴的好多了。最近南理工的项教授做的也是，他们做的是富锂锰级的，容量循环1400还能保持97%以上，这是做得非常好的。
下面介绍我们公司二元无钴材料的开发进展，我们是从前躯体、元素比例、包覆、掺杂进行设计，设定一个镍锰比例，再寻找前躯体，掺杂，掺杂非常重要，因为没有钴了，要想办法找一种或者是几种掺杂元素来稳定材料的结构。所有正极材料都需要包覆，液态电解液，尤其是高电压情况下必须要找到合适的，离子扩散系数都要非常好的包覆材料。
（图）这是我们开发的高镍90系的多晶无钴材料，它的容量是到200以上，而且5日多循环，能保持在97%以上。热稳定性与811差不多。
（图）第二种是单晶高电压方面发展，把镍含量进一步降低，镍保持在70-80%之间，锰在20-30%，让它适应在4.3V以上。这是单晶体形貌，可以发现颗粒分散度非常好，表面包覆非常均匀，如果要看更细节可以看透射照片了。在扣电状态下，在50次循环在97左右，DSC温度要高20%度左右。
下面介绍高电压单晶无钴材料在全电的发挥情况。这是我们公司电池团队开发的MED115A/时的测试情况，大家可以看到常规循环基本上预计是大于2500次，45度高温循环也是在1200次以上。
（图）这是内阻情况。10%的情况下常温内阻是可以，20%、50%、5%，在25%长度10秒放电，放电功率会大于2000瓦。
下面介绍一下无钴电池的安全性的数据，这张图片是展示热箱时延，130摄氏度热箱没有起火爆炸。第二个实验是提高20摄氏度，在150摄氏度的情况下，测试后反转盘是反转了，但是没有起火和爆炸。过充，是用140%的过充条件，反转了，但是没有起火。这是针刺，针刺了5层也是没有起火和爆炸，电池还是非常完好，大家可以看到极片，除了针刺之外，其他没有什么大的变化。短路，测试条件，满电，60度情况下进行的实验，反转盘也没有打开。
下面介绍无钴正极材料的发展方向，有三个方向：1.继续层状二元无钴；2.无钴富锂正极，现在正在开发，低镍和无镍的材料，从260到300毫安/时/克；3.尖晶石的方向，我们在实验室是130毫安/时/克，这个循环性能非常好。
下面简单介绍一下蜂巢能源公司的情况，蜂巢能源脱胎于长城汽车的动力电池事业部，2018年独立出来了，发展到现在，是以电芯和模组为主业，往上的正极材料、矿产资源，往下的储能、光伏等全产业链路的布局。发展到现在，员工是3000+，研发人员占比达到52%，外聘专家是500，研发投入每年将近30亿，计划2050年要突破2G瓦时的产能建设。
（图）这是河北保定的研发中心、这是无锡的研发中心，在国内是双研发中心。这是常州的工厂，电芯是分三期，正极材料也是分三期，建完为止，正极材料可以达到2.5-3万吨/年。同时，在今年建设马鞍山工厂、遂宁工厂和湖州工厂，陆续在开工建设，感谢大家的聆听。
（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅，仅作为参考资料，请勿转载！）
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