前 言

基于能量密度高、放电容量大、综合成本低等优势的三元正极材料（NCM），特别是高镍三元材料，会是未来三元正极的主要发展趋势。本期文章主要就高镍三元材料的基本特征、材料自身问题点、当前相关研究情况等做相关梳理和讨论。

高镍材料的基本特征

NCM三元材料由于元素本身的特点，不同的元素在材料的结构和电化学性能中扮演的角色各不相同。一般而言，在NCM体系中，镍含量越高，克容量越高（如图1所示）；钴含量越高，倍率性能越好；锰含量越高，结构越稳定。因此，三元材料的性能因元素的比例改变而改变。按照镍含量的不同，NCM主要可以分为NCM111、532、622、811等，还有过渡产品721等，其中622及以上为高镍三元。

图1.不同三元正极材料的克容量 

高镍材料问题点

高镍三元材料从NCM532、NCM622到NCM811以及NCA三元材料，逐渐迭代更新。将Ni含量提升至90%及以上，不仅可以降低成本，还能极大提升电池的比能量。然而，随着Ni含量的提升，高镍三元材料在应用中也存在许多问题和挑战。表1总结了高镍三元材料自身存在的一些问题：

 表1.高镍三元材料自身存在的一些问题 

高镍材料的改性研究

为了克服上述关于高镍三元材料应用中的相关问题，通常需要对其进行材料层级的改性，从而改善后续电池的电化学性能和安全性能。目前针对高镍三元材料的改性研究可以划分为几个方向：材料本体优化、材料结构调控、材料表/界面优化等，如表2所示：

 表2.当前已报道的高镍三元材料的改性研究方法 

上述的包覆改性是被广泛用于高镍三元正极材料表面修饰的方法。针对表面包覆的方向，我们整理了当前研究中高镍三元材料的不同的包覆物方案，如图2所示：

 图2.高镍三元材料的不同包覆物方案 

高镍材料研究小结

（1）高镍三元正极材料不断迭代发展，高镍化可以提高电池的能量密度；但高镍三元材料自身存在的一些问题，需要针对性地改善和优化。

（2）通过材料本体优化、元素掺杂和表面包覆等改性手段，可以有效地解决高镍三元正极材料存在的缺陷问题，改善和提高其在电芯端的性能。

（3）高镍三元仍是高能量正极的研究热点，如果高镍三元材料的安全性能、循环寿命的问题得到解决的话，其在产业应用上有非常大的空间。

高镍材料测试案例

1、不同体系NCM材料的导电性及压缩性能评估

本文采用粉末电阻&压实密度仪PRCD3100（IEST-元能科技），测试了NCM111、NCM622、NCM811三种材料的电导率及压缩性能（图3），发现随着镍含量的增加，电导率逐渐增大；但当前加压条件下NCM622的压缩模量大于NCM111及NCM811，这与其的微观结构有关，结合三种材料的SEM形貌分析结果可明显看出，NCM622由层状结构组成的多晶材料，更易被压缩，这与实际的压缩性能实验结果相一致。

图3.三种NCM材料的电导率曲线(a) 和压实密度曲线(b) 

2、原位分析NCM811电芯高温循环过程体积变化

本文采用可控温双通道原位体积监控仪GVM2200，分析两种不同电解液体系的NCM811/Graphite电芯在高温循环过程中的体积变化（图4），可直观的评估两种电解液体系在产气方面的差异，且可看出脱嵌锂过程中的材料相变对应的体积变化，助力研发人员从机理上深入分析材料和电解液性能。

图4. GVM2200设备外观图、NMC811-Graphite电芯充放电曲线及体积变化曲线 

3、三元软包电芯长循环过程膨胀变化分析

本文采用原位膨胀分析仪SWE2110，分析NCM电芯长循环过程中容量衰减与厚度膨胀的关联性（图5），通过相关电芯膨胀厚度及电化学数据分析，推测此电芯循环衰减原因包含电极机械损伤、析锂及其它副反应。

 图5. 原位膨胀分析仪设备示意图、不同电芯循环充电膨胀力变化曲线 

4、三元电芯原位膨胀分析-不同温度条件

本文采用原位膨胀分析仪SWE2110（IEST-元能科技），对NCM523电芯在不同温度条件下充放电过程中的厚度膨胀进行分析。温度从室温25℃升高至45℃和60℃，以及从室温25℃降至0℃时，电芯的不可逆膨胀均增加，但在高温和低温两种条件下导致不可逆膨胀的原因可能不同。 

图6.NCM523电芯电芯在4种温度条件下充放电曲线和膨胀曲线 

参考文献

[1] 刘勇强. 锂离子电池三元髙镍正极材料的改性及电化学性能研究[D]. 北京：北京科技大学数理学院,2021.

[2] 技术篇：三元正极材料之高镍[J].锂电产业通,2023.

[3] 中南大学唐有根：高镍三元正极材料的问题与改性研究[J]. 电动驿家,2023.

[4] 刘文超,高峰,曲江英,籍少敏,霍延平.高镍三元正极材料失效机制与改性[J].材料导报，2022,36(21):26-34.

[5] 高镍三元正极材料的包覆改性研究综述[J].粉体网,2023.