高镍三元能否做到既有高能量密度，又能够同时兼顾电池高安全性？
经常有业内人士来咨询，高镍三元能否做到既有高能量密度，又能够同时兼顾电池高安全性？这个问题简直比鱼和熊掌兼得更难以回答。不断提高Ni含量的三元材料仿佛一位极限挑战者，在追求更高极限的同时，必然伴随着更大的风险。单单从NCM材料层级上考量是否能实现安全，先说结论：不能。
三元材料是指由镍（Ni）、钴（Co）和锰（Mn）组成的一类材料。这些材料通常被用作锂离子电池的正极材料，因为它们具有高能量密度、良好的循环稳定性和较低的成本。随着对电动汽车和可再生能源的需求不断增长，三元材料作为锂离子电池的正极材料在电动车辆和能源储存系统中得到了广泛应用。磷酸铁锂铁锂在国内市场上是主流产品：更低的成本、更长的寿命和环境友好，为什么三元还是能够在市场占据一定份额？
三元材料的优势：
- 高能量密度：三元材料通常具有较高的比能量和能量密度，因此可以提供更高的电池容量和较长的续航里程，适用于需要高能量密度的应用，像小米SU7顶配版，为了提高续航里程，三元则是必然选择。
- 更高的充放电速率：三元材料具有较高的充放电速率，可以更快地充电和放电，适用于对快速充电和高功率放电要求较高的应用，对于未来新能源汽车更高加快速10min快充的需求和电动工具瞬间大电流均是优先选择。
- 较好的低温性能：与磷酸铁锂相比，三元材料在低温情况下充放电循环过程中通常表现出更高的容量保持率，因此北方的新能源汽车在冬天的时候，三元材料则是更好的选择。
三元材料从起初的1系到能够量产生产的NCM811（高容量），以及现在部分材料厂着手研究9系，激进的厂家其Ni含量已经达到了98%。从DSC差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）数据上来看，随着Ni含量的提高，其放热峰从306°C降低到178°C，上限温度减少了41.8%，对电池热安全无疑是巨大的挑战。再热稳定性能降低如此多的情况下，如何对材料的结构、工艺等进行优化，提升其热稳定性成为业内关注的点。
目前有技术通过调三元材料（镍钴锰氧化物）作为锂离子电池的正极材料，在使用过程中可能会出现衰退现象，主要包括容量衰减和循环性能衰退。以下是一些常见的三元材料衰退机制：
- 锂离子损失：在充放电过程中，部分锂离子可能会与电解液中的溶质发生副反应，导致锂离子损失，从而降低了电池的可逆容量。这种锂离子损失会导致电池的容量衰减。
- 结构损坏：镍钴锰氧化物在充放电过程中会发生晶格膨胀和收缩，这可能导致颗粒之间的结构损坏和颗粒与电解质的脱离，进而导致电池的循环性能衰退，而从笔者了解到的数据来看，单晶颗粒出现裂纹情况较少，多晶则出现较多。
- 表面层生成：在充放电过程中，三元材料的表面可能会生成一层氧化物或磷酸盐等物质，这些物质可能阻碍锂离子的扩散，从而降低了电池的电荷传输速率和电池的循环稳定性。
- 溶解性：镍钴锰氧化物中的镍和锰在充放电过程中可能会溶解到电解液中，导致电解液中的金属离子浓度升高，从而引发电池内部的副反应，进一步加剧电池的容量衰减和循环性能衰退。
- 电解液降解：镍钴锰氧化物与电解液之间的相互作用也可能导致电解液的降解，产生有害物质或导致电解液成分的改变，从而影响电池的性能和循环稳定性。
在改善三元材料电池性能方面，材料包覆和掺杂是常用的两种方法。它们可以改善材料的结构、表面性质和电化学性能，从而提高电池的循环稳定性、能量密度和安全性。对于高镍三元其安全性仍然还有很长的路需要走，通过掺杂和包覆提高材料的热稳定终究会达到材料本身的能力上限，所以单纯从材料一个维度去改善安全已经无法满足市场需求，需要从电芯、模组和系统端综合考虑，通过整个体系的优化来弥补高镍三元带来的缺陷。
材料包覆：
- 原位包覆法：在材料的合成过程中，添加一层外壳材料，以包覆原材料表面。这可以通过在合成过程中引入包覆剂来实现。原位包覆可以控制包覆层的厚度和成分，以提高材料的循环稳定性和电化学性能。
- 后期包覆法：已合成的三元材料颗粒可以通过化学方法或物理方法进行包覆。常用的包覆材料包括二氧化硅、氧化铝等。通过后期包覆可以改善材料的表面性质、抑制结构损伤、提高循环稳定性和安全性。
材料掺杂：
- 阳离子掺杂：通过将其他阳离子引入三元材料的晶格中，可以调节材料的结构和电化学性能。例如，钴、镍或锰的部分替代可以改变晶格结构、优化离子扩散通道，并提高电池的性能。
- 阴离子掺杂：将其他阴离子引入三元材料的晶格中，也可以调节材料的电子结构和电化学性能。例如，氮、硅等元素的掺杂可以改变材料的电子态和离子扩散速率，从而提高电池的性能。
总体流程：
- 合成原材料：合成三元材料的原始粉末。
- 包覆或掺杂：在合成过程中添加包覆剂或掺杂剂，或者在原材料合成后进行后期包覆或掺杂处理。
- 性能测试：对包覆或掺杂后的材料进行性能测试，包括电化学性能、循环稳定性等。
- 应用：将性能优良的材料用于锂离子电池的制备。
这些方法可以根据具体要求进行调整和优化，以实现所需的材料性能改善效果。目前我所了解到最有可能方案是：通过改变Ni含量在NCM颗粒内部分布来改善材料的电性能和安全性能。NCM材料核心Ni含量高，外壳处Ni含量低的设计。外侧Ni含量之所以要低是因为高含量的Ni将使材料处于高活性状态，容易在界面处与电解液发生反应，而核心保持高Ni含量则是提高NCM材料的克容量。
对于高镍三元其安全性仍然还有很长的路需要走，通过掺杂和包覆提高材料的热稳定终究会达到材料本身的能力上限，所以单纯从材料一个维度去改善安全已经无法满足市场需求，需要从电芯、模组和系统端综合考虑，通过整个体系的优化来弥补高镍三元带来的缺陷。
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