详解NCN111/523、NCM622和NCM811、NCA
与锰酸锂、磷酸铁锂等其他储能及动力电池用正极材料相比，层状多元材料具有比容量高、振实密度大、能量密度高、安全性能较好等特点，已经广泛应用于笔记本电脑、儿童玩具、便携式电动工具、电动自行车、无人机、电动轿车、电动大巴等市场，并被开发用于储能和其他新的应用领域。
层状多元材料中，NCM111 型低镍材料是最早被提出的材料组成，因而也被研究得最为深入。其中 Ni、Co、Mn 等过渡金属元素具有相同组成比例，兼具高倍率、长循环和高安全等性能优势。因 Ni、Mn 含量相等，通常认为其通过电子迁移后以 Ni2+、Mn4+形式搭配存在，没有多余的 Ni3+，因此 NCM111 是多元材料中最容易制备的。其 Co 含量相对较高，对大电流充放电等倍率特性的发挥有利，但也带来材料成本偏高问题。早期推向市场的还有NCM424（LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2），也是利用了 Ni、Mn 含量相等的特点，但由于Mn 含量过高，制备的氢氧化物前驱体容易氧化、结晶不容易长大和致密化，且无容量优势，未真正大批量进入市场。NCM111 的综合性能与 LCO 最为接近，本身比较容易制备，电池制浆加工对环境要求较低，既可单独使用，也可与其他正极材料混合使用，早期在手机、笔记本电脑、电动工具等应用市场被广泛选用，日本索尼公司在2004 年最先将它替代 LCO 用来提升容量、降低成本，如单独作为正极用于高端笔记本电脑的2.55A·h 高容量18650 圆柱电池（型号 US18650G8）；与 LCO 混合使用于手机电池 Nexelion 中；此外也与LMO 物理混合，用于电动工具用1.6A·h的US18650V 和2.5A·h 的US26650VT 中；目前主要用于对功率密度要求较高的 48V 启停系统等特殊应用场合。
与 NCM111 相比，NCM523具有较高的比容量、较低的成本、相近的热稳定性，使其一举成为市场用量最大的三元材料。尽管Ni 在其中含量较高（达到 50%），但是大多为 + 2 价镍以 LiNi0.5Mn0.5O2形式存在， + 3 价镍的 LiNiO2 所占比例仅为20%。因此，NCM523为典型的中镍材料，与钴酸锂和NCM111 一样，可在空气气氛下制备。经过近十年来的工艺优化，针对不同的细分市场设计的各种型号NCM523 产品被陆续开发，工艺的成熟性和稳定性不断提升，广泛应用于笔记本电脑、充电宝、电动工具、电动自行车、混合电动车、纯电动汽车等众多领域（表 2-7）。
2. 高镍的 NCM622、NCM811和NCA
NCM622型多元材料0.1C比容量约180mA·h/g，比NCM523高出近10mA·h/g。NCM622中的 LiNiO2所占比例已经达到 40%，其制备难度比 NCM111、NCM523 大幅提高。该材料的比容量较高，加工性能较好，已产业化并用于高端笔记本电脑用圆柱电池和高能量密度的纯电动车用电池中。
NCM811型多元材料 0.1C比容量达 200mA·h/g以上，比 NCM523高出 30mA·h/g。镍含量增加、钴含量降低， 使得 NCM811有望摆脱钴资源紧张带来的原料成本困境。但 NCM811中的LiNiO2已成为主要成分，所占比例高达 70%，必须在纯氧气氛下制备以确保更多的镍以 + 3价存在。此外，该材料对环境湿度比较敏感，在生产、转运、储存、使用时容易吸潮，发生阳离子混排，颗粒表面析出过多的残存锂化合物。这些残存锂使得 pH较高，易在电池制浆时发生浆料黏度升高，甚至成为果冻状，难以调浆和进行极片涂布。
与前几种多元材料不同，市场上销售的NCM811大多并非严格地按 Ni∶Co∶Mn = 8∶1∶1 这个组成来制备的。Ni含量有可能是78%、83%、85%或 88%等多种组成，以追求更高的比容量和相对稳定的结构，最终实现良好的加工性、高能量密度、长循环寿命、高安全、高性价比等综合指标。
NCA 层状材料 0.1C 比容量达到 200mA·h/g以上，与 NCM811 接近。Al 能有效地稳定材料的结构，抑制高镍材料常见的金属离子混排，但在材料中的含量不能太高，否则会致使容量下降很多。NCA 中的 LiNiO2是固溶体的主要成分，所占比例高达 80%以上，也必须在纯氧气氛下制备以确保所有的镍以+ 3 价存在。此外，该材料也容易吸潮，颗粒表面易析出更多的残存锂化合物，对电池制浆、高温存储都有不利影响。
与 NCM811类似，市场上销售的 NCA 大多并非严格地按 Ni∶Co∶Al = 80∶15∶5 这个组成制备。镍含量与 NCM811 相同时，由于 Al 含量不能太高，只能补充更多的Co，导致材料成本升高，没有市场竞争优势。因此，NCA 适合于面向更高镍组成的高容量电池应用，如镍含量达到89%、92%或95%等水平，以实现高能量密度、高安全、长寿命、高性价比等应用开发目标。近几年来，不同镍含量的 NCM/NCA 产品被陆续开发，以满足电动工具、混合电动车、纯电动汽车等多领域的各种细分应用市场需求。
本文摘编自《储能及动力电池正极材料设计与制备技术》 一书，由科学出版社出版，该系列包括之前的安全分析设计、PACK的设计与制造技术、以及电动汽车的标准与测试。
本书主要作者为：北京当升材料科技股份有限公司总经理，陈彦彬博士；北京当升材料科技股份有限公司锂电材料研究院院长，刘亚飞博士；天津理工大学科技处副处长，张联齐博士；北京大学化学与分子工程学院副院长、北京大学分子工程苏南研究院执行院长，陈继涛博士。
小编点评：该书总体上偏理论知识的介绍和梳理，碍于电芯技术的敏感性，很多产业技术层面的东西是没法展开和披露的，但对于想了解电芯正极材料、想详细掌握三元材料、铁锂、锰酸锂、富锂锰基、硫基等材料，想分析正极材料的发展趋势、材料的制备、以及目前全球正材料矿资源基本状态的朋友来说，该书还是非常好的一本“解惑”之作！
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