【JFD專欄】高比表面積和窄粒徑分布NMC的生產(chǎn)
用于HEV和PHEV的動力電池要兼顧功率和能量密度的需求,動力型三元材料的要求跟普通用于消費電子產(chǎn)品的三元材料是不一樣的。滿足高倍率的需求就必須提高三元材料的比表面積而增大反應(yīng)活性面積,這跟普通三元材料的要求是相反的。三元材料的比表面積是由前驅(qū)體的BET所決定的,那么如何在保持前驅(qū)體球形度和一定振實密度的前提下,盡可能的提高前驅(qū)體的BET,就成了動力型三元材料要攻克的技術(shù)難題。
樂清市人禾電子有限公司(RHI Electric Co.,Ltd)專注于軟質(zhì)PVC浸塑保護套、連接裝置配件和新能源電池連接配件的生產(chǎn)和研發(fā)。
一般來說,提高前驅(qū)體BET需要調(diào)整絡(luò)合劑濃度,并且改變反應(yīng)器的一些參數(shù)比如轉(zhuǎn)速溫度流速等等,這些工藝參數(shù)需要綜合優(yōu)化,才能不至于較大程度犧牲前驅(qū)體的球形度和振實密度,而影響電池的能量密度。采用碳酸鹽共沉淀工藝是提高前驅(qū)體BET的一個有效途徑,正如筆者前面提到的碳酸鹽工藝目前還存在一些技術(shù)難題,但筆者個人認為,碳酸鹽共沉淀工藝或許可以在生產(chǎn)高比表面積三元材料方面發(fā)揮用武之地,因此這個工藝值得深入研究。
動力電池的一個最基本要求就是長循環(huán)壽命,目前要求與整車至少的一半壽命相匹配(8-10年),100%DOD循環(huán)要達到5000次以上。就目前而言,三元材料的循環(huán)壽命還不能達到這個目標,目前國際上報道的三元材料最好的循環(huán)記錄是Samsung SDI制作的NMC532的三元電芯,在常溫下0.5C的循環(huán)壽命接近3000次。
但筆者個人認為,三元材料的循環(huán)壽命還有進一步提高的潛力。除了筆者前面提到的雜原子摻雜、表面包覆等因素以外,控制產(chǎn)品的粒徑分布也是一個很重要的途徑,對動力電池來說這點尤為重要。我們知道,通常生產(chǎn)的三元材料的粒徑分布較寬,一般在1.2-1.8之間。如此寬的粒徑分布,必然會造成大顆粒和小顆粒中Li和過渡金屬含量的不同。
精細的元素分析結(jié)果表明,小顆粒中的Li和鎳含量高于平均值(Li和鎳過量)而大顆粒的Li和鎳含量低于平均值(Li和鎳不足)。那么在充電過程中,由于極化的原因,小顆??偸沁^度脫鋰而結(jié)構(gòu)被破壞,并且在充電態(tài)高鎳小顆粒與電解液的副反應(yīng)更加劇烈,高溫下將更加明顯,這些都導(dǎo)致小顆粒循環(huán)壽命較快衰減,而大顆粒的情況正好相反。
也就是說,材料整體的循環(huán)性能實際上是由小顆粒所決定的,這也是制約三元材料循環(huán)性進一步提升的重要因素。這個問題在3C小電池中是無法體現(xiàn)出來的,因為其循環(huán)性只要求達到500而已,但是對于循環(huán)壽命要求達到5000次的動力電池而言,這個問題將是非常重要的。
進一步提升三元材料的循環(huán)性,就必須生產(chǎn)粒徑大小均勻一致(粒徑分布小于0.8)的三元材料,從而盡可能的避免小顆粒和大顆粒的存在,這就給工業(yè)化生產(chǎn)帶來了很大的挑戰(zhàn)。NMC的粒徑分布完全取決于前驅(qū)體,這里我們再一次看到了前驅(qū)體生產(chǎn)對三元材料的重要意義。
對于氫氧化物共沉淀工藝,使用普通的反應(yīng)器是不可能生產(chǎn)出粒徑分布小于1.0的前驅(qū)體顆粒的,這就需要采用特殊設(shè)計的反應(yīng)器或者物理分級技術(shù),進一步減小前驅(qū)體的粒徑分布。采用分級機將小顆粒和大顆粒分離以后前驅(qū)體的粒徑分布可以達到0.8。
因為去除了小顆粒和大顆粒,前驅(qū)體的產(chǎn)率降低了,這實際上較大地增加前驅(qū)體生產(chǎn)成本。為了達到原材料的綜合利用而降低生產(chǎn)成本,廠家必須建立前驅(qū)體回收再處理生產(chǎn)線,這就需要廠家綜合權(quán)衡利弊,選擇合適的工藝流程。
窄粒徑分布的三元材料在實際應(yīng)用中,極片涂布的一致性明顯提高,除了增加電芯循環(huán)壽命以外,還可以降低電池的極化而改善倍率性能。國內(nèi)三元廠家由于技術(shù)水平的限制,目前還沒有認識到這個問題的重要性。筆者個人認為,窄粒徑分布將會成為動力型三元材料的一個重要技術(shù)指標,希望這個問題能夠引起國內(nèi)廠家的高度重視。