中国粉体网讯 随着碳达峰碳中和战略的贯彻实施，新能源产业发展步入快车道。正极材料作为电池成本占比最高的一部分，其市场需求迎来了爆发式的增长。2023年8月15日到16日，2023先进正极材料技术与产业高峰论坛暨第一届钠离子电池材料技术研讨会在山城重庆隆重召开，会议期间，我们邀请到了业内专家、学者，优秀企业家代表做客对话栏目，进行访谈交流。本期，我们邀请到的是电子科技大学材料与能源学院的刘兴泉教授。
刘兴泉，理学博士，中国民盟盟员，中组部、中国科学院“西部之光”人才，中国科学院研究生院教授，博士生导师；电子科技大学材料与能源学院教授，博士生导师；中国能源学会理事；国家能源材料与器件专家委员会常务委员； 2021年中国科学家论坛“十四五”高质量发展创新人物，2023年中国科学家论坛副主席。目前研究领域：全固态锂/钠电池用固体电解质、高能量密度锂/钠离子电池新型电极材料设计与制备技术；钠离子电池及其电极材料；锂硫电池产业化应用研究；常温常压下电化学催化合成氨、电化学催化分解水制氢和氧；锌离子电池及应用。
粉体网：想问一下刘教授，高镍二元正极材料中，当提高镍含量的时候，会导致材料的性能降低，这是由哪些原因导致的？
刘教授：对于目前高镍材料来说，当提高镍含量时，性能都是呈一个下降趋势。主要原因有以下方面：第一，镍是比较活泼的金属，在镍含量比较高的情况下，随着充电深度的增加，锂离子脱出率增加，相应高价镍含量会不断增加。高价镍对电解液具有很强的氧化作用，而且高价镍氧化物本身也可以在一定条件下释放原子态氧，原子态氧也可以氧化电解质，产生二氧化碳和水，使电池产生胀气或变形甚至爆炸燃烧。
第二，高镍材料在合成过程中需要加入过量的强碱性氢氧化锂，导致材料合成出来以后残留的碱含量很高，影响材料的加工性能，而且表面上的残碱导致的副反应也会对循环性能造成非常大的影响。
除了这两方面外，增加镍含量后，由于导电性强的钴元素减少，会导致材料的电导率下降，使材料的倍率性能下降。这样来看，随着镍含量的增加，如果不对高镍材料进行包覆、掺杂或其他方面改性的话，其性能很难满足消费者的要求。
粉体网：想问一下刘教授，高镍二元正极材料除了包覆改性，还有什么其他的措施吗？
刘教授：增加镍含量的初衷是提高材料的能量密度。对于动力电池来说是为了提升电动汽车的续航里程，但提高续航里程的前提是保证安全。现在高镍材料存在着前面讲的一些问题，我们可以采取包覆改性去克服这些问题。包覆改性的效果也很好，能抑制材料表面的副反应，同时提升结构的稳定性，但治标不治本。
我们认为要真正稳定材料结构，还需要对材料进行掺杂，这也是大家都普遍认可的方法。掺杂的方法分为金属离子掺杂和非金属离子掺杂、单掺杂和复合掺杂。掺杂都是在体相完成，掺杂离子要进入材料的晶格取代镍或钴，对高镍材料来说，主要是取代镍。通过掺杂后，材料的结构得到了进一步的稳定，而且掺杂进去的元素也可以提高材料的离子和电子导电性，提升材料的倍率性能和循环性能。
粉体网：那高镍材料中的镍含量极限是多少？
刘教授：最早说的高镍材料是指镍在材料中的摩尔百分比＞50%，现在的高镍材料中镍的摩尔百分比要＞80%，镍摩尔含量从0.8到1.0都算是高镍材料。虽然区间比较宽，但现在真正能够使用的高镍材料的镍含量在0.92以下。更高镍含量的二元材料，比如说我们正在研究的镍0.97，钴含量只有0.03，这种材料距离使用还需要很长的时间。它的循环性能和倍率性能都是有问题的，还需要进行包覆和掺杂复合处理提升材料的性能，然后才可以进入应用。但是通过我们的研究结果认为，对于高镍材料，镍0.97有可能是一个极限的镍含量。
粉体网：我们都知道高电压镍锰酸锂材料的综合性能比较优异，但是与之相匹配的高电压电解液的问题还没有得到解决，这是否是高镍材料的共性问题？
刘教授：现在高电压材料有很多，不只是镍锰体系。据我所知，富锂锰基材料的充电截止电压是4.8V-5V，磷酸锰锂的充电电压在5V左右，镍锰酸锂的充电截止电压也可以达到5V。这些材料的充电平台电压都达到了4.5V以上甚至4.7V，这对目前的电解液体系，尤其是有机酯类电解液体系，提出了一个很大的挑战。
现在的酯类电解液的极限耐压一般是在5V，比较安全的耐受电压是在4.5V以下。镍锰酸锂高电压材料的充电平台电压达到了4.7V，磷酸锰锂的充电平台电压也在4.7V，用目前的酯类电解液有很大的风险，因为在这个平台电压下电解液会分解产生二氧化碳、水这些气态物对电池的安全性会造成很大的影响。
但现在高电压电解液国内外研究进展也很大，发现了一些不用酯作为溶剂的电解液来克服这个问题。比如说现在的聚阴离子型、离子液体型这些电解液就可以上5V级的电压。不排除这种电解液量产以后高电压材料能够有个迅猛的发展。
粉体网：您在报告中也说了高镍低钴或者是高镍无钴是未来发展的趋势，那您比较看好哪一种高镍二元正极材料?
刘教授：现在国家2025战略要求电芯的能量密度到2030年实现500wh/kg，按现在的电池体系，实现这个目标还是比较困难的。但是，我们完全可以通过高镍材料和硅碳负极来实现2025年400wh/kg的目标。
我比较看好的二元材料还是镍钴系。就是在镍含量提高的情况下，把钴的含量尽量降低，我们现在研究的钴含量最低是0.025，根据我们目前的研究结果，现在看要把这个材料应用在工业上我觉得还很困难。
但是富锂锰基，实际上算是锰的二元材料，它里面也含镍，但是这里面镍是次要成分，锰是主要成分。这个材料我认为应该是未来比较有发展前景的高能量密度材料。
（中国粉体网编辑整理/乔木）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
