中国粉体网讯 在现有的商用正极中，三元正极材料因其高能量密度、相对良好的倍率性能和不错的寿命与磷酸铁锂材料共同占据了商业化动力电池正极材料领域的垄断地位。但近年来磷酸铁锂因为成本低、循环性能良好、安全性高等因素，市场份额快速增长，并反超三元材料。尤其伴随着消费补贴的退坡，三元材料高能量密度而拥有的补贴优势已经完全消失，而三元材料生产成本高于磷酸铁锂，没有补贴，生产厂商考虑到成本会更青睐于磷酸铁锂。为了在竞争中不被淘汰，技术迭代成为三元材料发展的必然。
三元材料是由镍钴锰（NCM）或镍钴铝（NCA）三种元素通过不同配比组成的。镍、钴、锰三种元素在电池正极中各自扮演着不同的角色，其中提高镍的比例可以增加电池的能量密度，而钴的存在有助于稳定电池化学结构。但是，钴是稀缺资源，价格昂贵且供应情况不稳定，因此，研发高镍低钴或无钴的三元材料成为提升电池性能和降低成本的关键途径。
当材料中的镍含量大于或等于0.6时，我们就可以称之为高镍三元正极材料。但随着三元材料中Ni含量提升获得更高容量的同时，其理化稳定性也趋于恶化，主要表现在材料结构可逆性变差、表面副反应频发、颗粒粉化现象严重、活性材料溶解等劣化行为，使其循环过程中电化学性能衰退严重。
为了提高材料的电化学性能和安全性能，必须对高镍三元材料进行改性，其中离子掺杂、表面包覆以及结构优化是最常用的三元材料改性的方法。
1.离子掺杂
阳离子混排导致的材料结构稳定性差，以及循环过程中的相转变是导致三元材料循环稳定性和热稳定性差的重要原因，为了稳定材料结构，研究者们已经采用了多种离子对三元材料进行掺杂处理。
对三元材料的掺杂，按掺杂阳离子进入晶体结构的位置分为过渡金属位掺杂和锂位掺杂。大部分阳离子掺杂为过渡金属位掺杂，如Al3+、Ti4+等，锂位掺杂一般发生在掺杂阳离子半径与锂离子半径相近的阳离子（如Mg2+）或者碱金属离子（如Na+、K+、Rb+）上。
2.表面包覆
高镍三元材料表面高的反应活性加速了材料表面与电解液的副反应，从而加速材料表面相转变以及降低了热稳定性。表面包覆能够达到分离材料活性表面与电解液的目的，或者包覆层作为HF清除剂，消耗电解液中的酸，抑制活性物质与电解液的副反应，以及过渡金属离子的溶解，从而提高材料的电化学性能和热稳定性。常见的包覆物质有作为材料表面与电解液隔离层的惰性物质，如ZrO2、Al2O3等，为了提高材料离子导电性的高离子导电性材料，如Li3PO4、Li2ZrO3等，为了提高材料电子导电性的碳材料以及有机物等。
3.材料优化
材料结构优化是在不加入其他杂质离子的前提下，通过优化材料形貌、结构，以及主体元素的分布来提高材料的电化学性能。目前材料结构优化包括核壳结构、浓度梯度结构、异质结构、晶体晶面的定向生长等。
高镍三元正极材料因高比容量优势而备受青睐，然而存在与电解液反应、阳离子混排等主要问题制约着其应用。目前主流的改性手段有离子掺杂、表面包覆、材料优化等，虽然改性后材料的循环性能和热稳定性有所提高，但是都不能全面解决高镍三元正极材料存在的问题。
2024年10月29-31日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办2024先进正极材料技术与产业高峰论坛。届时，来自中南大学的唐有根教授将作题为《高镍三元正极材料的研究开发》的报告。
专家简介：
唐有根，博士，中南大学二级教授、博士生导师，湖南省电池行业协会会长，中南大学化学电源与材料研究所所长，化学电源湖南省重点实验室主任，金属燃料电池工程技术中心（筹）主任，中国储能与动力电源及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长，中国仪表材料学会常务理事，中国电池工业协会理事，中国电化学专业委员会委员，《储能科学与技术》、《功能材料》、《工业电池》编委。
近年来主要从事先进电池、新能源材料和应用电化学等方面的教学、科研和开发工作。承担20余项国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、国家自然科学基金项目、解放军武器装备高新工程攻关项目和企业重大招标与技术转让等项目。先后荣获省部级科技进步奖12项，获国家发明专利20项。出版专著和教材5部，在NatureCommun,Angew.Chem.Int.EdEnergyEnvironSci,AdvMater,AdvEnergyMater,AdvFunctMater等国内外知名期刊发表科研论文300余篇。
相继开发出系列稀土贮氢合金和动力镍氢电池系统、高镍三元锂离子电池正极材料、硅碳负极材料、水系锂离子电池、电动大巴用铝空气电池系统、无汞锌粉等多项新产品。致力于解决行业相关企业的技术难题，开展产学研合作，在储能技术领域具有良好的科研、教学和成果转化及创新实践平台建设经验和工作基础。
参考来源：
1.王坤等《高镍三元正极材料改性研究进展》
2.刘文超等《高镍三元正极材料失效机制与改性》
（中国粉体网编辑整理/乔木）
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