瑞浦兰钧夏保佳：提高高镍材料的安全性势在必行

“瑞浦兰钧成立将近5年，现在已经有26GWh产能投产，还有30GWh在建设当中，另外还有100GWh已经启动。”在日前遂宁召开的“2022中国（遂宁）国际锂电产业大会暨新能源汽车及动力电池国际交流会”上，瑞浦兰钧能源股份有限公司技术顾问夏保佳博士在演讲中如是介绍。

图为瑞浦兰钧能源股份有限公司技术顾问夏保佳作演讲

在产品研发方面，瑞浦兰钧计划用三元正极配合传统活性石墨，把电池比能量做到250-280Wh/kg，且适合在零下20℃的环境下充电。然后，会用传统石墨还有硅负极体系，把比能量进一步提高，循环次数大于2500次，可以满足零下30℃环境下的充电需求。

“再往后会用超高镍配合硅材料，半固态电池做到300-350Wh/kg的能量密度，循环次数小于2000，可以满足零下30℃的充电需求。全固态做到350Wh/kg的能量密度。”夏保佳透露。

高镍体系是中长期趋势

新能源汽车对续航里程要求不断提高，促进了高镍材料的发展。夏保佳指出，高镍材料不仅在重量上有优势，而且在体积上也有优势。所以欧美市场非常倾向于高镍正极材料的应用，尤其是在高档车方面。从技术角度而言，4680等大圆柱电池路线的兴起，为更好匹配高镍材料提供了广阔的市场。

“尤其是负极用硅制材料的话，正极匹配高镍材料，对于圆柱电池非常有优势。另外，固态电池也更加适合高镍正极材料的应用，充分发挥其能量密度的优势。成本角度看，高镍材料与磷酸铁锂的差距也在不断缩小。”夏保佳进一步说。

从市场需求上看，高镍正极材料这几年复合增长率都在53%以上，未来几年将是增长最快的正极材料。随着国内外厂商在上游的一体化资源布局、正极产能扩张节奏加快以及自身技术迭代进步，正极材料市场将加快增长。根据全球厂商规划，2024年全球高镍材料产能将达150多万吨。

为追求电动汽车更高的续航里程，高镍体系动力电池是中长期发展的趋势。不过，就目前而言高镍材料在安全性方面仍存在一些问题。

夏保佳指出，随着镍含量增加，氧的活性增加，材料自身稳定性就会下降。2020年以来，发生了多起电动汽车燃烧事件，其中不少涉及高镍电池。虽然随着各项技术的升级，中镍高电压也取得很大进展，但受到材料本身稳定性和电解液双方面的制约，中镍高电压比容量和循环寿命都出现天花板。所以进一步提高高镍的安全性势在必行。

改善高镍材料安全性的措施

关于体相改善高镍正极材料安全性的措施，夏保佳表示，“一个是变成逐向分布，对于提高材料的稳定性和安全性是有利的”。由三元变成四元，就是镍钴锂锰可以提高强度，增加热稳定性。从晶体角度，单晶化也是一个有效措施。

表面是电化学反应的场所，所以要保持活性。但是夏保佳指出，如果活性很高，与电解液反应非常剧烈，这对安全性是不利的，所以要平衡好表面活性和钝化的矛盾。另外，还要平衡好包覆均匀性和材料倍率特性，以及水性包覆与循环寿命的矛盾。

“高镍材料特别怕水，实现均匀包覆用水体是很好的技术路线”。夏保佳表示，同时要平衡油性包覆与成本环保的矛盾，这个技术亮点之一就是改性样本材料稳定分布特别均匀，而且包覆很完整，可以抑制材料在电解液当中的溶解。这个方法可以进一步提高安全性，因为负极SEI膜也是触发安全问题的重要原因之一。

实验表明，材料改性包覆之后的热特性也可以得到明显改善。夏保佳谈道，在加热实验中，未包覆材料在121.5℃的时候发生明显热失控；而包覆材料在160℃的时候温度没有上升，反而降低了。在短路实验中，改性后的材料短路的时候温度更低，发热量也降低。在过充测试、针刺实验中，改性后的材料也表现了明显安全优势。

在体系优化方面改善高镍材料安全性的措施。夏保佳指出，多晶和单晶材料各有优缺点。比如，多晶比容性高，但稳定性差；单晶有好的稳定性，负反应少，但动力学性能比较差。瑞浦把单晶和多晶按一定比例混合以后制备成电极，发挥了单晶和多晶各自的优势，特别是可以有效释放多晶材料的应力，减少多晶材料的裂纹，从而提高安全性和循环寿命。

此外，高镍与磷酸锰铁锂进行混合也可以提高安全性。夏保佳表示，锰元素和铁元素均匀分布，稳定性很好。同时，磷酸锰铁锂是一个小粒径，与高镍混合时填补在高镍缝隙里面，一旦热失控，锰铁锂就是很好的隔离物。

“高镍三元材料和锰铁锂混合以后，热失控耐受温度可以提高20℃，穿刺测试比例达到二分之二，相关结构对于超高镍体系也适用。”夏保佳进一步补充说。