【JFD專欄】高比表面積和窄粒徑分布NMC的生產(chǎn)

2017-05-03 09:46:54 q403

    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體的BET所決定的,那么如何在保持前驅體球形度和一定振實密度的前提下,盡可能的提高前驅體的BET,就成了動力型三元材料要攻克的技術難題。

樂清市人禾電子有限公司(RHI Electric Co.,Ltd)專注于軟質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,提高前驅體BET需要調整絡合劑濃度,并且改變反應器的一些參數(shù)比如轉速溫度流速等等,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^度脫鋰而結構被破壞,并且在充電態(tài)高鎳小顆粒與電解液的副反應更加劇烈,高溫下將更加明顯,這些都導致小顆粒循環(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體,這里我們再一次看到了前驅體生產(chǎn)對三元材料的重要意義。

    對于氫氧化物共沉淀工藝,使用普通的反應器是不可能生產(chǎn)出粒徑分布小于1.0的前驅體顆粒的,這就需要采用特殊設計的反應器或者物理分級技術,進一步減小前驅體的粒徑分布。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,前驅體的產(chǎn)率降低了,這實際上較大地增加前驅體生產(chǎn)成本。為了達到原材料的綜合利用而降低生產(chǎn)成本,廠家必須建立前驅體回收再處理生產(chǎn)線,這就需要廠家綜合權衡利弊,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。國內三元廠家由于技術水平的限制,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指標,希望這個問題能夠引起國內廠家的高度重視。