鉅大LARGE | 點擊量：3006次 | 2018年05月19日
環(huán)境濕度對鋰電池高鎳正極材料有什么影響？
高鎳正極配硅碳負極已經被行業(yè)內公認為高比能量鋰離子動力電池的技術路線。而高鎳正極面臨很多問題，其中原材料的保存、電池生產環(huán)境要求高是巨大的挑戰(zhàn)。
此前，歐陽明高院士指出在國家重點研發(fā)計劃“新能源汽車”重點專項的支持下，寧德時代、天津力神、國軒高科等幾只團隊，已經基本實現了300瓦時/公斤動力電池的研發(fā)，具體考核指標為：電池單體能量密度≥300Wh/kg，循環(huán)壽命≥1500次，成本≤0.8元/Wh，安全性等達到國標要求。
這三個團隊目前基本上采用的技術路線大同小異，均為正極高鎳三元，負極是硅碳。高鎳正極配硅碳負極已經被行業(yè)內公認為高比能量鋰離子動力電池的技術路線。而高鎳正極面臨很多問題，其中原材料的保存、電池生產環(huán)境要求高是巨大的挑戰(zhàn)。本文簡單總結下環(huán)境因素，特別是濕度對高鎳正極材料特性的影響，理解錯誤之處請大家批評指正。
對于鎳基材料，顆粒表面會發(fā)生自發(fā)反應，Ni3+轉變?yōu)镹i2+，釋放O2-，當鎳含量高的材料（NMC622、NMC811、NCA等）暴露在空氣中時，更容易吸收空氣中的二氧化碳和水。
這樣在顆粒表面形成Li2CO3和LiOH層，材料中Ni比例高，PH值也越高，而Li2CO3和LiOH消耗了材料中的Li，又不具備電化學活性，因此會造成容量衰減，而且顆粒表面致密的Li2CO3層阻礙Li的擴散，影響電池性能。LiOH也會與PVDF和LiPF6反應，對電池工藝和性能產生不利影響。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
材料與空氣的反應會在原材料保存、電極制備、極片存儲等整個過程進行，因此，對于高鎳材料，從原材料到整個電池生產過程都需要嚴格的環(huán)境控制，特別是水分控制。如果水分與材料已經發(fā)生了反應，通過常規(guī)的干燥過程根本無法再次去除水分的影響，電極漿料的制備、極片制造等環(huán)節(jié)都需要在干燥環(huán)境內進行，一般地，高鎳正極電池的生產過程都需要露點-30℃環(huán)境。
如果高鎳正極材料顆粒表面吸收空氣中的水分，反應產生了LiOH，這就會對極片制造工藝過程產生嚴重的影響。在高鎳正極漿料制備過程中，PVDF溶解于NMP中，材料表面的堿性基團會攻擊相鄰的C-F、C-H鍵，PVDF很容易發(fā)生雙分子消去反應，會在分子鏈上形成一部分的碳碳雙鍵。
當PVDF內雙鍵増加時，其粘結力也會増加，這會導致漿料粘度増加，甚至漿料形成凝膠狀態(tài)。因此，高鎳正極漿料在制備和涂布過程，環(huán)境濕度對其影響巨大，如果再工藝過程中吸水反應，特別容易造成漿料性質發(fā)生變化，導致極片制造過程出現品質不穩(wěn)定，工藝一致性差等問題，形成凝膠漿料時，甚至涂布過程無法進行。
而且，當PVDF內雙鍵増加導致粘結力増加時，極片脆性増加特別容易發(fā)生斷裂，極片輥壓、分切等工藝收放卷過程中，極片斷裂造成工藝過程無法進行。如果電池是方形卷繞工藝，在卷芯拐角處會造成極片斷裂或者掉料的情況。
LiOH會與Al箔發(fā)生反應，Al被腐蝕之后，機械強度降低，電池電化學性能和安全性都會受到影響，而且箔材被腐蝕表面性質變化，涂層剝離強度會降低，極片的機械性能和電性能都會受到影響。
此外，LiOH也會與LiPF6反應，消耗電解液中的Li離子，產生HF氣體，它可以使電池內部的金屬零件腐蝕，進而使電池最終漏液。而且HF破壞SEI膜，會與SEI膜主要成分持續(xù)發(fā)生反應。
最后，在電池內部產生LiF沉淀，使鋰離子在電池負極片發(fā)生不可逆轉的化學反應，消耗活性鋰離子，電池的能量就減少了。
高鎳材料吸收水分反應產物Li2CO3在充電狀態(tài)的高電位下容易分解產生CO2氣體，造成電池鼓包漏液問題。當材料吸收的水分足夠多時，產生的氣體多，電池內部的壓力就會變大，從而引起電池受力變形，出現電池鼓漲，漏液等危險。
因此，對于高鎳正極材料，在原材料保存和電池制備過程中，環(huán)境濕度都需要嚴格控制，才能生產高性能的鋰離子電池。
