【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(hù)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(rèn)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(dá)到5000次以上。就目前而言，三元材料的循環(huán)壽命還不能達(dá)到這個目標(biāo)，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(rèn)為，三元材料的循環(huán)壽命還有進(jìn)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(xì)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(jìn)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(dá)到500而已，但是對于循環(huán)壽命要求達(dá)到5000次的動力電池而言，這個問題將是非常重要的。
進(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(rèn)識到這個問題的重要性。筆者個人認(rèn)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(biāo)，希望這個問題能夠引起國內(nèi)廠家的高度重視。