“电动车电池大战”……找到提升效率、降低工艺成本的方法
UNIST Cho Jaepil特聘教授团队开发简便单晶材料合成技术
利用共熔组成原理提升正极合成效率 ‥ 发表于《Nature Energy》
一种能够大幅提升电动汽车电池效率的方法问世，正受到全球关注。原因在于，这项技术被评价为蕴含着在“电池战争”时代预先占领世界市场未来主导权的技术价值。
近期，研究人员不仅针对将电动汽车续航里程提升30%以上的关键材料——高镍正极，而且还针对富锂锰正极材料，开发出了一种能够以低成本制备为完全单晶形态的技术。
UNIST（蔚山科学技术院）能源化学工程系特聘教授团队（第一作者为博士 Yoon Moonsu）与美国麻省理工学院（MIT）Ju Li 教授团队开展联合研究，并公布了研究成果。
根据联合研究结果，研究团队通过共熔组分（eutectic composition）熔化了氢氧化锂（LiOH）和硝酸锂（LiNO3）。随后利用共转混合机，将熔融的锂盐与过渡金属前驱体混合，合成了液态锂盐–过渡金属纳米颗粒复合体。
研究团队在800摄氏度以下对该复合体进行热处理，成功开发出可制备完全形态单晶颗粒的源头技术。
作为大容量电池正极材料之一的高镍正极材料能够实现高容量输出。但在反复充放电过程中，颗粒内部会产生微细裂纹，并因与电解液发生副反应而导致电池寿命急剧下降。目前已商业化的正极材料是由数百纳米级颗粒聚集而成的“多晶形态”，因此无法避免上述现象。
多晶材料在电池制造过程中易破碎，并会在电池内部促进不必要的反应，由此增加气体生成等问题，同时影响充放电循环，从而缩短寿命。
但如果以“单晶形态”制备正极材料，则可有效减少这类问题。不过，其缺点是，与相同成分的多晶材料相比，加工成本高出30%以上。
加工成本之所以重要，是因为在一辆电动汽车中，正极材料的价格占整车成本约15%，其中加工费用约占2.25%。尤其是金属价格取决于国际行情，为在价格竞争中取得优势，最大限度降低加工费用至关重要。
研究团队首先将通过共熔组分熔化的硝酸锂、氢氧化锂与多晶过渡金属前驱体按一定比例混合，再利用共转混合机以每分钟2000转的速度搅拌12分钟。
他们证明，接触产生的热量会使熔融粉末渗透进多晶颗粒的边界面（晶粒边界侵蚀发生），从而形成液态锂盐–过渡金属纳米颗粒复合体。
研究团队将该复合体在800摄氏度以下加热10小时，开发出了将其制备为数微米级、完全结晶的单晶形态颗粒的技术。
这一技术不仅适用于高镍正极，也可应用于富锂锰正极材料。富锂锰正极是指锰（Mn）含量在60%以上的高含量材料，同时锂含量高于过渡金属含量，在4.5伏以上高电压下可实现250毫安时/克以上的高容量。
随着锰含量增加，为实现合成所需的热处理温度也随之升高，特别是在锰含量达到60%以上时，即便在900摄氏度以上加热12小时以上也无法合成单晶。但本次研究表明，即使在锰含量60%以上的情况下，也可将其合成为粒径约1微米的单晶颗粒。
研究团队将该研究成果应用于电池性能评估。他们在锂金属电池中，对采用常规工艺合成的多晶材料（NCM811）与相同成分的单晶正极材料进行了对比测试。
结果显示，该单晶正极材料在经过200次充放电之后，仍保持约92%的初始容量，比相同成分的多晶材料寿命保持率提升约12%。同时，气体生成量及阻抗增幅改善了30%以上，有望在提升电动汽车顽疾——安全性方面发挥重要作用。
第一作者、UNIST能源工程系博士后研究员 Yoon Moonsu 表示：“通过本次研究，我们证明了不仅高镍正极材料，作为LFP替代物而备受关注的富锂锰正极材料，也可以以低成本合成为单晶形态。”
能源化学工程系特聘教授 Cho Jaepil 指出：“目前正在推进商业化的高镍系单晶正极材料，存在因多次加热导致生产成本上升的问题。”
他表示：“若在开发大规模合成工艺时采用新开发的合成方法制备的正极材料，预计与现有单晶工艺相比，至少可降低30%以上的成本。但目前的合成规模仍处于实验室水平，要实现量产至少还需要4年以上时间。”
此次研究成果已于3月30日（当地时间）发表在能源领域权威学术期刊《Nature Energy》上。
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