CIBF丨蜂巢能源李子郯：無鈷正極材料技術與應用

2021年3月18日，由中國化學與物理動力工業協會動力電池應用分會、電池中國網聯合舉辦的第二屆新能源汽車及動力電池國際交流大會(CIBF·深圳)在深圳舉行。大會期間，蜂巢能源科技股份有限公司材料事業部總經理李自勇發表了題為《無鈷正極材料的技術與應用》的主題演講。

以下為演講實錄:

我是蜂窩能源材料事業部的李子穎，今天主要分享一下蜂窩能源用無鈷正極材料的研發進展和應用。廣義的無鈷材料有四種:1。鈷酸鋰；2.磷酸亞鐵鋰；3.立方晶體；4.高壓型5V立方晶體。今天我講的是三元層狀結構的無鈷材料，也就是除鈷。

(圖)這是材料的結構，屬于六方晶體。這是鈷酸鋰和三元的結構，有金屬層和鋰金屬層。從排列上看，這種排列是能量最低的，四價鎳很活躍。最右邊是三元熱擴散圖。鈷、鎳、錳合成的材料顏色越紅，越穩定。所以我們開始設計無鈷材料和二元材料，就是下面這條線。錳鎳，不帶鈷，50%是鎳，50%是錳，最穩定。我們從黑色、深藍色到淺藍色的鎳和錳的比例來設計這種材料。

隨著鎳含量的增加，容量很高。但由于無鈷材料中沒有鈷，錳多，自然會有更多的二價鎳，二價鎳的混排會更嚴重。你可以看到一個數據，2元的無鈷鋰鎳還是比較多的，容量相比三元材料還是低的。

(圖)這是我公司二元無鈷材料的開發過程，這是國際學術機構對無鈷材料的開發過程。日本從2003年開始研發5050錳酸鎳鋰，但是循環比較差。2006年用離子交換法研制出第一種Ni-Li混排5050材料，容量高達183 mA/g，去年北大做了高錳系列，容量超過250，屬于富鋰錳范疇。同年開發了5644，他們認為5644的鎳含量比5050好。2015年大家對高鎳的熱穩定性不是很滿意，但是學術上，對于90%以上的含鈷和不含鈷的三元材料，大家都認為鈷更安全。從他們的研究中得出結論，鈷不好，不如鎳和錳好。2020年，鎳90納米和NCA，沒有鈷比有鈷好得多。最近，南理工的項教授也做了同樣的事情。他們做的是富鋰富錳，1400容量循環還能保持百分之九十七以上，很不錯了。

下面介紹我公司二元無鈷材料的開發進展。我們從前驅體、元素配比、包層和摻雜進行設計，設定一個鎳錳比，然后尋找前驅體、摻雜，摻雜很重要，因為沒有鈷，必須想辦法找到一種或幾種摻雜元素來穩定材料的結構。所有的陰極材料都需要涂層，液體電解質，尤其是高電壓下，必須找到合適的涂層材料，具有非常好的離子擴散系數。

(圖)這是我們研發的高鎳90系多晶無鈷材料。其容量在200以上，循環5天以上仍能保持在百分之九十七以上。熱穩定性與811相似。

(圖)二是單晶高壓的發展，進一步降低了鎳的含量，使鎳保持在70-80%之間，錳保持在20-30%之間，使其能夠適應4.3V以上，這是單晶形態，可以發現顆粒分散性非常好，表面包覆非常均勻。如果想看更多細節，可以看看透射照片。在斷電狀態下，DSC溫度在97℃下經過50次循環后約高20%。

下面介紹高壓單晶無鈷材料在全電情況下的性能。這是我公司電池團隊開發的MED115A/ h的測試。你可以看到正常循環基本預計在2500次以上，45度高溫循環也在1200次以上。

(圖)這是內阻。在10%的情況下，常溫內阻還可以，20%，50%，5%，25%的長度10秒時放電功率會在2000瓦以上。

以下是無鈷電池的安全數據。這張圖是熱箱延時，130攝氏度熱箱沒有起火爆炸。第二個實驗是將溫度提高20攝氏度。150攝氏度，測試后反轉板反轉，但沒有起火爆炸。過度充電，在140%過度充電條件下，反向……d，但沒有火災。這是針灸。針刺五層后，不起火不爆炸。電池還是很完好的。你可以看到極片。除了針灸，沒有大的變化。短路，測試條件，滿電，60度實驗，反盤沒開。

下面介紹無鈷正極材料的發展方向，有三個方向:1。連續層狀二元無鈷；2.現在正在研制的無鈷富鋰陽極，采用低鎳和無鎳材料，260 ~ 300mA/h/g；3.我們實驗室的尖晶石方向是130mA/h/g，這個循環性能很好。

先簡單介紹一下蜂巢能源公司的情況。蜂巢能源脫胎于長城汽車動力電池事業部，2018年獨立。到目前為止，主要是以電池和模塊為主，正極材料和礦產資源、儲能、光伏等全產業環節的布局。截至目前，員工人數3000+，R&D人員比例52%，外聘專家500人，R&D投資每年近30億。計劃2050年突破2 GWh的產能建設。

(圖)這是河北保定的R&D中心，這是無錫的R&D中心，這是中國的雙R&D中心。這是常州的一家工廠。電池分為三相，陰極材料也分為三相。到建設結束時，陰極材料可達25-30，000噸/年。同時，馬鞍山工廠、遂寧工廠、湖州工廠今年正在建設中。感謝您的聆聽。

(注:本文根據現場速記整理，未經主講人審核。僅供參考。請勿轉載！)

掃描下方二維碼，關注“第二屆新能源汽車及動力電池國際交流大會(CIBF深)”直播專題！1 2021年3月18日，由中國化學與物理動力工業協會動力電池應用分會、電池中國網聯合舉辦的第二屆新能源汽車及動力電池國際交流大會(CIBF·深圳)在深圳召開。大會期間，蜂巢能源科技股份有限公司材料事業部總經理李自勇發表了題為《無鈷正極材料的技術與應用》的主題演講。

以下為演講實錄:

我是蜂窩能源材料事業部的李子穎，今天主要分享一下蜂窩能源用無鈷正極材料的研發進展和應用。廣義的無鈷材料有四種:1。鈷酸鋰；2.磷酸亞鐵鋰；3.立方晶體；4.高壓型5V立方晶體。今天我講的是三元層狀結構的無鈷材料，也就是除鈷。

(圖)這是材料的結構，屬于六方晶體。這是鈷酸鋰和三元的結構，有金屬層和鋰金屬層。從排列上看，這種排列是能量最低的，四價鎳很活躍。最右邊是三元熱擴散圖。鈷、鎳、錳合成的材料顏色越紅，越穩定。所以我們開始設計無鈷材料和二元材料，就是下面這條線。錳鎳，不帶鈷，50%是鎳，50%是錳，最穩定。我們從黑色、深藍色到淺藍色的鎳和錳的比例來設計這種材料。

隨著鎳含量的增加，容量很高。但由于無鈷材料中沒有鈷，錳多，自然會有更多的二價鎳，二價鎳的混排會更嚴重。你可以看到一個數據，2元的無鈷鋰鎳還是比較多的，容量相比三元材料還是低的。

(圖)這是我公司二元無鈷材料的開發過程，這是國際學術機構對無鈷材料的開發過程。日本從2003年開始研發5050錳酸鎳鋰，但是循環比較差。2006年用離子交換法研制出第一種Ni-Li混排5050材料，容量高達183 mA/g，去年北大做了高錳系列，容量超過250，屬于富鋰錳范疇。同年開發了5644，他們認為5644的鎳含量比5050好。2015年大家對高鎳的熱穩定性不是很滿意，但是學術上，對于90%以上的含鈷和不含鈷的三元材料，大家都認為鈷更安全。從他們的研究中得出結論，鈷不好，不如鎳和錳好。2020年，鎳90納米和NCA，沒有鈷比有鈷好得多。最近，南理工的項教授也做了同樣的事情。他們做的是富鋰富錳，1400容量循環還能保持百分之九十七以上，很不錯了。

下面介紹我公司二元無鈷材料的開發進展。我們從前驅體、元素配比、包層和摻雜進行設計，設定一個鎳錳比，然后尋找前驅體、摻雜，摻雜很重要，因為沒有鈷，必須想辦法找到一種或幾種摻雜元素來穩定材料的結構。所有的陰極材料都需要涂層，液體電解質，尤其是高電壓下，必須找到合適的涂層材料，具有非常好的離子擴散系數。

(圖)這是我們研發的高鎳90系多晶無鈷材料。其容量在200以上，循環5天以上仍能保持在百分之九十七以上。熱穩定性與811相似。

(圖)二是單晶高壓的發展，進一步降低了鎳的含量，使鎳保持在70-80%之間，錳保持在20-30%之間，使其能夠適應4.3V以上，這是單晶形態，可以發現顆粒分散性非常好，表面包覆非常均勻。如果想看更多細節，可以看看透射照片。在斷電狀態下，DSC溫度在97℃下經過50次循環后約高20%。

下面介紹高壓單晶無鈷材料在全電情況下的性能。這是我公司電池團隊開發的MED115A/ h的測試。你可以看到正常循環基本預計在2500次以上，45度高溫循環也在1200次以上。

(圖)這是內阻。在10%的情況下，常溫內阻還可以，20%，50%，5%，25%的長度10秒時放電功率會在2000瓦以上。

以下是無鈷電池的安全數據。這張圖是熱箱延時，130攝氏度熱箱沒有起火爆炸。第二個實驗是將溫度提高20攝氏度。150攝氏度，測試后反轉板反轉，但沒有起火爆炸。過度充電，在140%過度充電條件下，反向……d，但沒有火災。這是針灸。針刺五層后，不起火不爆炸。電池還是很完好的。你可以看到極片。除了針灸，沒有大的變化。短路，測試條件，滿電，60度實驗，反盤沒開。

下面介紹無鈷正極材料的發展方向，有三個方向:1。連續層狀二元無鈷；2.現在正在研制的無鈷富鋰陽極，采用低鎳和無鎳材料，260 ~ 300mA/h/g；3.我們實驗室的尖晶石方向是130mA/h/g，這個循環性能很好。

先簡單介紹一下蜂巢能源公司的情況。蜂巢能源脫胎于長城汽車動力電池事業部，2018年獨立。到目前為止，主要是以電池和模塊為主，正極材料和礦產資源、儲能、光伏等全產業環節的布局。截至目前，員工人數3000+，R&D人員比例52%，外聘專家500人，R&D投資每年近30億。計劃2050年突破2 GWh的產能建設。

(圖)這是河北保定的R&D中心，這是無錫的R&D中心，這是中國的雙R&D中心。這是常州的一家工廠。電池分為三相，陰極材料也分為三相。到建設結束時，陰極材料可達2.5-3萬噸/年。同時，馬鞍山工廠、遂寧工廠、湖州工廠今年正在建設中。感謝您的聆聽。

(注:本文根據現場速記整理，未經主講人審核。僅供參考。請勿轉載！)

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