中國粉體網訊  隨著碳達峰碳中和戰略的貫徹實施，新能源產業發展步入快車道。正極材料作為電池成本占比最高的一部分，其市場需求迎來了爆發式的增長。2023年8月15日到16日，2023先進正極材料技術與產業高峰論壇暨第一屆鈉離子電池材料技術研討會在山城重慶隆重召開，會議期間，我們邀請到了業內專家、學者，優秀企業家代表做客對話欄目，進行訪談交流。本期，我們邀請到的是電子科技大學材料與能源學院的劉興泉教授。

劉興泉，理學博士，中國民盟盟員，中組部、中國科學院“西部之光”人才，中國科學院研究生院教授，博士生導師；電子科技大學材料與能源學院教授，博士生導師；中國能源學會理事；國家能源材料與器件專家委員會常務委員； 2021年中國科學家論壇“十四五”高質量發展創新人物，2023年中國科學家論壇副主席。目前研究領域：全固態鋰/鈉電池用固體電解質、高能量密度鋰/鈉離子電池新型電極材料設計與制備技術；鈉離子電池及其電極材料；鋰硫電池產業化應用研究；常溫常壓下電化學催化合成氨、電化學催化分解水制氫和氧；鋅離子電池及應用。

粉體網：想問一下劉教授，高鎳二元正極材料中，當提高鎳含量的時候，會導致材料的性能降低，這是由哪些原因導致的？

劉教授：對于目前高鎳材料來說，當提高鎳含量時，性能都是呈一個下降趨勢。主要原因有以下方面：第一，鎳是比較活潑的金屬，在鎳含量比較高的情況下，隨著充電深度的增加，鋰離子脫出率增加，相應高價鎳含量會不斷增加。高價鎳對電解液具有很強的氧化作用，而且高價鎳氧化物本身也可以在一定條件下釋放原子態氧，原子態氧也可以氧化電解質，產生二氧化碳和水，使電池產生脹氣或變形甚至爆炸燃燒。

第二，高鎳材料在合成過程中需要加入過量的強堿性氫氧化鋰，導致材料合成出來以后殘留的堿含量很高，影響材料的加工性能，而且表面上的殘堿導致的副反應也會對循環性能造成非常大的影響。

除了這兩方面外，增加鎳含量后，由于導電性強的鈷元素減少，會導致材料的電導率下降，使材料的倍率性能下降。這樣來看，隨著鎳含量的增加，如果不對高鎳材料進行包覆、摻雜或其他方面改性的話，其性能很難滿足消費者的要求。

粉體網：想問一下劉教授，高鎳二元正極材料除了包覆改性，還有什么其他的措施嗎？

劉教授：增加鎳含量的初衷是提高材料的能量密度。對于動力電池來說是為了提升電動汽車的續航里程，但提高續航里程的前提是保證安全。現在高鎳材料存在著前面講的一些問題，我們可以采取包覆改性去克服這些問題。包覆改性的效果也很好，能抑制材料表面的副反應，同時提升結構的穩定性，但治標不治本。

我們認為要真正穩定材料結構，還需要對材料進行摻雜，這也是大家都普遍認可的方法。摻雜的方法分為金屬離子摻雜和非金屬離子摻雜、單摻雜和復合摻雜。摻雜都是在體相完成，摻雜離子要進入材料的晶格取代鎳或鈷，對高鎳材料來說，主要是取代鎳。通過摻雜后，材料的結構得到了進一步的穩定，而且摻雜進去的元素也可以提高材料的離子和電子導電性，提升材料的倍率性能和循環性能。

粉體網：那高鎳材料中的鎳含量極限是多少？

劉教授：最早說的高鎳材料是指鎳在材料中的摩爾百分比＞50%，現在的高鎳材料中鎳的摩爾百分比要＞80%，鎳摩爾含量從0.8到1.0都算是高鎳材料。雖然區間比較寬，但現在真正能夠使用的高鎳材料的鎳含量在0.92以下。更高鎳含量的二元材料，比如說我們正在研究的鎳0.97，鈷含量只有0.03，這種材料距離使用還需要很長的時間。它的循環性能和倍率性能都是有問題的，還需要進行包覆和摻雜復合處理提升材料的性能，然后才可以進入應用。但是通過我們的研究結果認為，對于高鎳材料，鎳0.97有可能是一個極限的鎳含量。

粉體網：我們都知道高電壓鎳錳酸鋰材料的綜合性能比較優異，但是與之相匹配的高電壓電解液的問題還沒有得到解決，這是否是高鎳材料的共性問題？

劉教授：現在高電壓材料有很多，不只是鎳錳體系。據我所知，富鋰錳基材料的充電截止電壓是4.8V-5V，磷酸錳鋰的充電電壓在5V左右，鎳錳酸鋰的充電截止電壓也可以達到5V。這些材料的充電平臺電壓都達到了4.5V以上甚至4.7V，這對目前的電解液體系，尤其是有機酯類電解液體系，提出了一個很大的挑戰。

現在的酯類電解液的極限耐壓一般是在5V，比較安全的耐受電壓是在4.5V以下。鎳錳酸鋰高電壓材料的充電平臺電壓達到了4.7V，磷酸錳鋰的充電平臺電壓也在4.7V，用目前的酯類電解液有很大的風險，因為在這個平臺電壓下電解液會分解產生二氧化碳、水這些氣態物對電池的安全性會造成很大的影響。

但現在高電壓電解液國內外研究進展也很大，發現了一些不用酯作為溶劑的電解液來克服這個問題。比如說現在的聚陰離子型、離子液體型這些電解液就可以上5V級的電壓。不排除這種電解液量產以后高電壓材料能夠有個迅猛的發展。

粉體網：您在報告中也說了高鎳低鈷或者是高鎳無鈷是未來發展的趨勢，那您比較看好哪一種高鎳二元正極材料?

劉教授：現在國家2025戰略要求電芯的能量密度到2030年實現500wh/kg，按現在的電池體系，實現這個目標還是比較困難的。但是，我們完全可以通過高鎳材料和硅碳負極來實現2025年400wh/kg的目標。

我比較看好的二元材料還是鎳鈷系。就是在鎳含量提高的情況下，把鈷的含量盡量降低，我們現在研究的鈷含量最低是0.025，根據我們目前的研究結果，現在看要把這個材料應用在工業上我覺得還很困難。

但是富鋰錳基，實際上算是錳的二元材料，它里面也含鎳，但是這里面鎳是次要成分，錳是主要成分。這個材料我認為應該是未來比較有發展前景的高能量密度材料。

（中國粉體網編輯整理/喬木）

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