鋰電網(wǎng)訊：在CIBF2023論壇上，中科院物理所黃學(xué)杰研究員將鋰電正極材料的發(fā)展劃分成三代，第一代是錳酸鋰，第二代是磷酸鐵鋰與三元，第三代是尖晶石鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn1.5O4，簡稱LNMO）和鎳酸鋰。從上述觀點可看出，黃老師認為尖晶石鎳錳酸鋰和鎳酸鋰是取代磷酸鐵鋰和三元材料的第三代正極材料。
這篇文章主要討論LNMO，關(guān)于鎳酸鋰后續(xù)再與大家探討。除了黃老師提出LNMO將成為第三代正極材料的觀點外，中航鋰電、比克、蜂巢能源均有類似的公開觀點和研發(fā)規(guī)劃。
中航鋰電乘用車事業(yè)部總經(jīng)理謝秋在中國電動汽車百人會報告中提到，現(xiàn)在正常的NCM 5系、6系的材料，鋰只用到了70%，其他30%的鋰是不參與充放電的，這是一種資源的巨大浪費。LNMO參與反應(yīng)的鋰可以達到95%，與LFP的鋰利用率差不多，但是LNMO能量密度又比LFP高很多。如果現(xiàn)在鋰的利用率從70%提升到95%，意味著行業(yè)對于鋰的需求能下降大約30%。低鎳高錳從成本和資源的角度，LNMO正是下一代電池材料的候選方案。
比克電池首席科學(xué)家林建博士在2022高工鋰電年會報告中提到，在高壓化發(fā)展趨勢下，LNMO已成為正極發(fā)展的主流方向之一，LNMO比容量可達133mAh/g，能量密度625Wh/kg，倍率性能優(yōu)異，且材料成本優(yōu)勢明顯，可取代LFP和LMO應(yīng)用在電動工具和儲能領(lǐng)域。相信隨著正極材料包覆、摻雜和高電壓電解液技術(shù)的發(fā)展，5V尖晶石鎳錳酸鋰材料會是行業(yè)又一大有前途的材料。
蜂巢能源材料事業(yè)部李子郯總經(jīng)理在ABCA-5國際論壇報告中講到，蜂巢能源將無鈷正極材料作為未來的主要發(fā)展方向，包括三條路線：
1）Ni75單晶（190mAh/g已量產(chǎn)）；
2）無鈷鋰（預(yù)研）；
3）無鈷尖晶石鎳錳酸鋰（技術(shù)儲備，受限于高電壓電解液）。
LNMO之所以被看成第三代正極材料，是因為具有以下優(yōu)點：
1）低成本，因為LNMO真正實現(xiàn)了無鈷化（鈷成本高），以過渡金屬Mn為主（錳成本低），價格相對于LFP降低20%，相對于三元降低40%；
2）高能量密度，LNMO相對于LFP能量密度提升22.5%
LNMO實際容量：135mAh/g（理論放電容量146.7mA·h/g），LNMO平均電壓：4.5V；LFP實際容量：155mAh/g，LFP平均電壓：3.2V
LNMO相對LFP能量密度提升：（4.5×135-3.2×155）/(3.2×155)=(607.5-496)/496=22.5%
3）鋰用量低，提供相同能量，LNMO用鋰量為LFP的70.5%
LNMO摩爾質(zhì)量：183g/mol，LFP摩爾質(zhì)量：158g/mol
提供相同能量1wh，需要鋰含量比較：
LNMO需要鋰的質(zhì)量為：（1000/607.5）×（7/183）=0.0630g
LFP需要鋰的質(zhì)量為：（1000/496）×（7/158）=0.0893g
0.0630/0.0893=70.5%，即提供相同能量，LNMO相對于LFP節(jié)省Li使用量近30%。
雖然LNMO有很多優(yōu)點，被行業(yè)內(nèi)眾多企業(yè)和研究機構(gòu)看好，但一直為什么沒有進入量產(chǎn)呢？主要因為LNMO存在錳溶出、無合適的耐高壓電解液匹配，導(dǎo)致容量衰減快。
黃老師能夠提出LNMO將是第三代正極材料，說明他們已經(jīng)解決了LNMO面臨的大部分主要問題，材料已經(jīng)滿足工程化應(yīng)用的條件。
根據(jù)黃老師項目組前期在行業(yè)內(nèi)公開的信息，2020年底，松山湖實驗室現(xiàn)已具備300kg/d的規(guī)模化能力（130mAh/g、2000次循環(huán)）。裝成LNMO/石墨軟包電池，100周循環(huán)保持率97%，效率99.9%，克服了電池體系高電壓下的穩(wěn)定性，同時軟包電池循環(huán)100周也很穩(wěn)定，沒有產(chǎn)氣。通過阻抗分析，循環(huán)100周阻抗很穩(wěn)定。聯(lián)合下游的合作伙伴做成100Ah的鋁殼電池，充電到4.8V，做針刺試驗，沒有起火、沒有爆炸，說明高電壓鎳錳酸鋰有很好的安全性。
根據(jù)2023年報告內(nèi)容，組裝的32Ah LNMO/石墨軟包動力電池，12min可實現(xiàn)20%SOC到80%SOC、-20℃放電容量保持率94.6%、循環(huán)壽命超過3000次。 LNMO電池的體積能量密度超過LFP 50%。
通過黃老師介紹物理所和松山湖材料實驗室關(guān)于LNMO的研究成果，可以了解到LNMO確實已達到了工程化應(yīng)用要求。
上述成果經(jīng)過了黃老師項目組17年的持續(xù)研發(fā)，對LNMO錳溶出問題、高電壓電解液問題、匹配的電池應(yīng)用技術(shù)（鋁箔的預(yù)處理、PVDF的替換、導(dǎo)電劑的選型）有系列的技術(shù)解決方案。小研近期圍繞黃老師項目組解決LNMO錳溶出問題的五個不同階段技術(shù)方案進行較全面的調(diào)研，有感興趣的朋友可以聯(lián)系小研深入交流。
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