2018年1月20日，百人會執(zhí)行副理事長歐陽明高院士解讀純電動乘用車發(fā)展三大核心技術(shù)，期中之一就是高比能量鋰離子電池技術(shù)。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(jīng)基本實現(xiàn)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(shù)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(jīng)被行業(yè)內(nèi)公認為高比能量鋰離子動力電池的技術(shù)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(chǎn)環(huán)境要求高是巨大的挑戰(zhàn)。本文簡單總結(jié)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(yīng)，Ni3+轉(zhuǎn)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，發(fā)生如下反應(yīng)：

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(yīng)，對電池工藝和性能產(chǎn)生不利影響。 

材料與空氣的反應(yīng)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(chǎn)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(jīng)發(fā)生了反應(yīng)，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(nèi)進行，一般地，高鎳正極電池的生產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生了LiOH，這就會對極片制造工藝過程產(chǎn)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(yīng)，會在分子鏈上形成一部分的碳碳雙鍵，反應(yīng)如下： 

當PVDF內(nèi)雙鍵増加時，其粘結(jié)力也會増加，這會導(dǎo)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(yīng)，特別容易造成漿料性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致極片制造過程出現(xiàn)品質(zhì)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(nèi)雙鍵増加導(dǎo)致粘結(jié)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)生如下反應(yīng)：6OH-+2Al+6H2O→6OH-+2Al(OH)3+3H2

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(zhì)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(yīng)，消耗電解液中的Li離子，產(chǎn)生HF氣體，它可以使電池內(nèi)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(yīng)：

ROCO2Li + HF → ROCO2H + LiF

Li2CO3 + 2HF → H2CO3 + 2LiF 

最后，在電池內(nèi)部產(chǎn)生LiF沉淀，使鋰離子在電池負極片發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學反應(yīng)，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(yīng)產(chǎn)物Li2CO3在充電狀態(tài)的高電位下容易分解產(chǎn)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(chǎn)生的氣體多，電池內(nèi)部的壓力就會變大，從而引起電池受力變形，出現(xiàn)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(chǎn)高性能的鋰離子電池。

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