磷酸铁锂、三元锂“混搭”！宁德时代最新专利曝光

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当前锂离子电池的正极材料，比较成熟且普遍应用的主要是磷酸铁锂材料（LFP）和三元锂材料(NCM)。
从性能上来看，二者各有优缺点。能否把二者“混搭”使用，各取所长呢？


01磷酸铁锂、三元锂各自的优缺点

三元锂材料作为正极活性材料的锂离子电池具有更高的能量密度，更好的功率性能，更好的低温性能，但是镍、钴材料较为稀缺，难以支撑市场需求。同时在安全性上，三元锂电池无法通过针刺实验。



磷酸铁锂相比三元锂，在作为正极活性材料的锂离子电池时，自身能量密度较低，低温性能也不如后者，但材料便宜，同时安全性能更好。



在国内，两种材料以电池界的两大巨头，宁德时代、比亚迪为代表，前者主推三元锂，后者主推磷酸铁锂。二者在不断的竞争中，将两种材料的能力几乎发展到极致，并通过刀片电池、CTB、CTP等电池模组、电池包结构优化技术，最大限度地扬长避短，提升电池性能。
既然两种材料各有特长和缺陷，是否可以将磷酸铁锂、三元锂两种材料结合起来使用，发挥各自优势呢？


02蔚来的“混搭”技术有何不足？

这个方向确实在业内有企业在研究。
例如蔚来，其在去年推出了一种“混搭”的75kWh电池，把磷酸铁锂电芯和三元锂电芯各自组成的组合型电池模组，用串联的方式集成到一个电池包内。
据称，采用这种形式，蔚来把磷酸铁锂电池的低温续航损失降低了25%，基本与三元锂电池相当了。



从能量密度来看，蔚来这种方案推出的电池的能量密度为142Wh/kg，搭载在其ES8上满电可跑445km，基本达到了刀片电池去年的水平。但是，这个数据离动辄250Wh/kg以上的三元锂电池还是有差距。


03宁德时代最新专利的“混搭”方案

近日，前沿君发现宁德时代在专利中也推出了一种混合正极材料方案。与蔚来用两种不同材料制造而成的电芯串联的方案不同，宁德时代是直接将两种材料配比混合，通过一定工艺制造成为新型正极材料。
此前，将两种材料混合起来的问题，主要在于如何同时保证制备过程的加工性能，以及让两种材料均匀分布，不出现浆料团聚问题，以及实现锂离子电池性能提升和稳定。



从专利中的内容来看，宁德时代主要的主要保护点之一在于材料的结构。其特征如下：
1.磷酸铁锂

● 专利中的磷酸铁锂材料的结构式为LiFe 1-xM xPO 4，其中，0<x≤0.1，M可以选自Cu、Mn、Cr、 Zn、Pb、Ca、Co、Ni、Sr或Ti中的一种以上。

● 磷酸铁锂二次颗粒比表面积平均值不超过10m^2/g，最好不超过6m^2/g。

● 磷酸铁锂二次颗粒的平均粒径分布满足D v10≥0.6μm（即，体积分布中10%的粒度大于0.6微米），D v90≤30μm，2μm≤D v50≤9μm，同时3者还满足0.1≤D v50/(D v90-D v10)≤10。

● 磷酸铁锂二次颗粒平均粒径在20nm~800nm之间。

● 磷酸铁锂二次颗粒的质量含量在20％~70％之间，尤其是在25％~45％。

2.三元锂

专利中的三元锂材料为镍钴锰酸锂化学体系材料或镍钴铝酸锂化学体系材料，前者的材料通式为LiNi xMn yCo 1-x-yO 2，1＞x＞0，1＞y＞0，x+y≤0.95，后者材料通式为LiNi xCo yAl 1-x-yO 2，其中，1＞x＞0.6，0.4＞y＞0.1。

04方案效果

从以上可以看出，专利主要通过控制磷酸铁锂化学体系二次颗粒的粒径分布，来得到混合正极材料。
根据专利描述，当磷酸铁锂二次颗粒满足上述条件时，在制浆过程中，更有利于形成更加均匀的混合正极浆料。
尤其是分别控制粒径较小和粒径较大的颗粒占比，可以对磷酸铁锂二次颗粒与三元材料二次颗粒的混合体系的浆料加工性进一步优化。同时，可以使三元材料不会由于LFP二次颗粒材料的引入，而降低其动力学性能和低温性能，并保持较长的寿命。



专利中给出了实验数据，从中来看，采用相关要求制备的正极材料最终制备得到的锂电池，其能量密度得到提高，都在200Wh/kg以上，最高可达254Wh/kg。
且在初始放电容量、首圈效率基本相同的情况下，容量衰减至初始值的80％时的循环圈数明显增加，最高可达2240圈，远大于对比例的循环圈数（图中的对比例1~3），锂电池的循环性能明显增加。
专利中还公布了制备方法，想了解详细信息，可以私信前沿君获取专利全文。

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