三元正极:被吹上天的高能量,藏着产业化的工艺死结

去年年初,我司对接的某新势力动力电池项目,批量下线的NCM811电芯,常温循环不到1200次,就有18%的电芯容量跳水跌破80%,排查了三个月,最后发现问题根本不在电芯封装,也不在负极电解液,出问题的就是三元正极本身。

别扯什么材料设计,衰减的根在第一次充放电

很多人张嘴就说三元正极胜在能量密度,闭口不提它天生的缺陷。首次不可逆容量损失是所有三元绕不开的第一道坎。说白了,层状结构里,锂第一次脱出来,就有一部分回不去了。

你以为是工艺没做好?我们中试线拉过10批同配方的NCM811,镍83%钴7%锰10%,对辊之后面密度3.8g/cm³,烧结温度920度,所有参数卡到小数点后一位,测出来首次不可逆损失最低也有8.7%,最高直接摸到13%。

什么概念?你设计的280Wh/kg的电芯,刚做完第一次化成,直接少了20多到30多Wh/kg,等于你花了大价钱买的高镍材料,一成多直接打了水漂。这不扯吗?

三元正极首次充放电容量损失曲线
三元正极首次充放电容量损失曲线

补锂是缓兵之计,不是解药

现在行业全在吹补锂,说补完锂就能把这个损失补回来,还能提能量密度。我亲手调过三种补锂工艺,从湿法混掺锂粉到原位预锂化烧结,都试过。

说实话,首次损失确实能压到3%以内,看起来很美对不对?实测下来,问题全在后面。补过锂的三元正极,循环到500次,常温产气率比不补的多了22%,多余的游离锂根本不会乖乖待在晶格空位里,第一次充放电就全跑到负极去长SEI,把负极孔道堵得严严实实,内阻涨得飞快。

我们做高低温循环测试,45度高温下1C充放,补锂的三元容量衰减率比不补的快了整整7个百分点。成本就更别提了,补10%摩尔量的金属锂,正极材料成本直接涨1.8万一吨,摊到电芯上,每度电成本加12块,一辆车60度电,就是720块,哪个车厂愿意掏这个钱?

补锂三元正极循环产气率对比柱状图
补锂三元正极循环产气率对比柱状图

三元正极绕不开的硬伤,从来没人敢明说

三元正极绕不开的硬伤,从来没人敢明说
三元正极绕不开的硬伤,从来没人敢明说

说来说去,补锂也好,包覆掺杂也好,都是在修修补补,根本碰不到核心问题。核心问题就是镍离子迁移带来的晶格坍塌,这是三元层状结构天生的病,治不了。

高镍三元,镍含量越高,锂位和镍离子的半径越接近,循环过程中,脱嵌锂次数多了,镍离子就往锂位跑,一走了之,整个层状结构就塌了。你包覆个几纳米的氧化铝氧化锆,能管得住表面,管得住内部吗?

我们拆过循环1000次的8系三元电芯,做透射电镜看二次颗粒,内部裂纹能开到10μm以上,电解液顺着裂纹往里面渗,整块颗粒从内往外腐蚀,根本拦不住。

现在行业都往9系甚至95系高镍走,镍越高,这个问题越夸张。我去年在实验室测9系三元,恒温25度,很慢的速率充放,1000次容量保持率能做到81%,看起来符合国标对不对?拿到模拟整车工况测,冬天零下10度放一晚,每周两次快充,500次循环下来容量保持率直接掉到72%,离要求差了整整8个点。

说白了,所有对外放的数据都是挑出来的最优样,批量生产根本达不到。

不过话说回来,不是说三元正极一无是处,现在要做续航600公里以上的新能源车,你绕不开三元的高能量密度,磷酸铁锂就是比不了。但问题是,整个行业都在遮着捂着这个事,都在说工艺突破,都在说性能达标,没人敢明说,三元正极天生的结构不稳定性,是当下产业化根本绕不开的死结。

你再怎么调工艺,加多少成本,都只能延缓衰减,没法彻底解决。别扯那些虚的,当下你买高续航三元电池的车,就要接受三五年之后续航掉一成多的现实,这就是躲不开的事实。

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