12月20-21日，由第一锂电网、锂电百人会联合主办，上海贺励商务咨询有限公司承办的2022中国国际正负极材料产业大会（简称：金砖正负极论坛）在常州香格里拉大酒店顺利召开。本届大会设置“论坛峰会+展览展示”，以“紧抓材料机遇，大力发展锂电”为主题，通过话题设置，引发讨论，引爆业内对“正负极”的关注，解读最新能源发展困惑，诠释机遇及发展方向。促进投资商、生产商、运营商、政府之间的对接，深度了解用户体验。（大会现场视频）演 讲 实 录
宜宾锂宝新材料有限公司研究院副院张彬出席论坛并发表主题演讲——《锂离子电池正极材料发展趋势》以下为演讲实录： 张彬：大家好，我是宜宾锂宝研发总监张彬，非常抱歉由于疫情原因不能到现场和大家进行一起交流，只能通过线上的形式。今天我给大家带来的报告是《锂离子电池正极材料发展趋势》。首先请允许我有几分钟的时间介绍一下锂宝公司。宜宾锂宝座落于四川生宜宾市三江新区，目前拥有的正极材料产能是3万吨，前驱体的产能是1万吨，预计到2022年底、2023年，分别是按前驱体和正极材料2万的规模进行扩产，到2024年底新增前驱体6万吨，正极材料5万吨，也就是到2024年底正极材料共有产能10万吨。宜宾锂宝下属两个全资子公司，一个是光原锂电，专职做三元前驱体，另一个是天原锂电，主要作为宜宾锂宝的研发支撑部门。目前公司主要致力于动力型三元正极材料的研发、生产和销售，主要包括5系、6系、7系中镍低钴产品，以及8系及8系以上的超高镍的高钴产品。目前宜宾锂宝的生产装置已经实现了全部的自动化和智能化，关键设备均是采用韩国、日本、德国等先进国家的技术装置，在机械化、自动化和智能化方面达到国内一流。在管理系统方面，采用ERP、OA、MES系统等，生产的全自动化控制，实时监控生产制造过程，其中MES系统可以实现从客户下订单，一直到产品进入客户仓库的全流程监控。以上是公司获得的各个荣誉。
这是公司三元材料的产品，目前三元材料的产品主要是中镍产品方向，以高电压路线为主，而高镍产品方向是以高镍低钴的路线为主。同时，出于对锂资源的限制，公司现在正在开发纳离子电池。其中纳离子电池主要包括镍锰二元、镍铁锰三元以及镍铁铜锰四元，后期就会向富镍材料和无镍材料发展。在电压的路线上，目前产品材料主要是4V为主，后期会形成以4.1V和4.2V的高电压方向发展。以上是宜宾锂宝大概的介绍，如果大家还有其他想要沟通的，我们随时保持联系。今天我带来的报告主要是从以下三个方面进行开展。1、磷酸铁锂和三元材料磷酸铁锂和三元材料的竞争贯穿了整个新能源发展，从2020-2022年，整个磷酸铁锂装机量可以达到182%，其中磷酸铁锂的装机量，9月份磷酸铁锂动力电池产量是34.8GWh，而动力电池的装机量方面，磷酸铁锂可以达到20.4GWh。国内三元材料的装机量在1-9月份，三元材料累计装机量是150.2GWh，磷酸铁锂比三元达到了150.65%。综合整个磷酸铁锂和三元材料的对比来看，主要是在以下几个方面。在金属成本方面，镍钴的金属成本远远高于磷和铁的资源成本，这个造成了三元材料的成本价格高于磷酸铁锂的其中一个主要元素。另一个主要元素还是来自于锂盐。对于单吨产品而言，磷酸铁锂消耗的锂盐是三元材料的一半，尤其是在锂的价格在50万-60万的区间波动，单吨产品的磷酸铁锂的锂价格将会比三元材料省12万左右。其中在加工成本方面，两者的加工成本由于金属资源和锂资源巨大的价格差，这个加工成本基本上可以忽略不计。在安全性方面，磷酸铁锂具有着比三元材料更高的优势。从各个性能指标上来分析，磷酸铁锂仅仅在能量密度上低于三元材料。在巨大的成本研究面前，能量密度的差距并没有体现出三元材料比磷酸铁锂的优势。我们综合对2018-2021年的镍钴资源的需求可以看出，从2018-2021年整个钴资源应用于新能源锂产业，由2018年的53%提高到了2021年的60%，也就是说钴基本上全部进入到了新能源领域。而镍在新能源领域主要占比达到5.2%，整个在不锈钢领域占比高达80.3%。从图中大家可以判断出，也许钴对新能源产业而言是更为紧缺的资源，而镍相对来说，在新能源领域的消耗远远低于在钢铁领域。但是，根据地壳中镍钴元素的含量分布来计算，如果我们的三元材料都是以811甚至以更高镍的形式存在，镍资源将会和钴资源一样，成为更加稀缺的资源。右图是我们在不同的三元材料里面的镍钴不同镍含量的三元材料原材料成本和加工费成本的对比，可以看到在三元材料中，原材料的成本高达82%，虽然随着产能的扩大，工艺技术的先进，加工费有一定的减少，但是依然在整个三元材料中占比低。我们基于目前锂的价格以及镍钴价格大幅度处于高位的前提下，在所有的正极材料里面发现LiNi0.5Mn1.5O4材料单吨产品，锂元的消耗量和磷酸铁锂的消耗量基本上是相同的，而材料的能量密度，尖晶石产品的能量密度可以达到三元材料NCM62的能量密度。如果镍锰尖晶石产品能够被广泛应用，那么会进一步提高三元材料在新能源领域的竞争力。基于此，我们在想能不能设计出一款材料，同时具备以下几个方面的需求：（1）锂盐消耗，降低单吨产品锂盐的消耗，理想的模型现在就是一种新的产品能够和磷酸铁锂做对比，单吨产品锂元的消耗要达到25%以下。（2）能量密度。作为一种三元材料的衍生品以及下一代的发展产品，其能量密度一定要比磷酸铁锂具有明显的优势。（3）瓦时成本。综合材料的整体价格以及它的能量密度，我们设计一款新的材料，它的瓦时成本一定要比磷酸铁锂和传统的三元材料有明显的技术优势。（4）技术壁垒。作为一种可以大规模应用的正极材料，在整个电池体系以及后端的应用方面，一定不能具有明显的技术瓶颈。技术壁垒要通过正极材料方面来降低对于电池体系的技术壁垒的要求。（5）产业链发展可持续性。任何一款材料，无论是磷酸铁锂还是三元材料，随着它的使用量逐渐增大，一定要具有资源的可持续性和回收的价值，这样才能达到整个产业链的稳定。综上所述，我们发现镍锰尖晶石产品能够很好地符合以上各个指标的要求。这里是尖晶石材料与磷酸铁锂和三元材料的对比，从表中可以看出，无论是在电压密度还是在最后的质量比能量，还是体积比能量，尖晶石材料都具有比磷酸铁锂明显的优势。2、尖晶石合成工艺从尖晶石的结构图中可以看到，最原始的尖晶石材料具有完美的八面体结构，在材料中具有电化学性能的锰离子和起骨架支撑结构的锰离子，具有重叠的一部分。这个结构化相对来说不能完美地区分哪部分的锰离子具有电化学活性，而哪部分的锰离子是起骨架支撑的。而在镍锰尖晶石这款产品中，2价镍离子完美地替代了尖晶石材料中具有电化学活性的锰离子。同时，剩下的75%的锰离子起骨架支撑作用，而不具有电化学活性的作用，这样的话，2价镍离子对锰离子的取代很大程度上降低了锰离子的效应。同时，镍锰尖晶石产品可以将锰酸锂的电压平台由4V先提高到4.7V。从右图中可以看出，在容量方面，镍锰尖晶石产品的容量，三元需要低于磷酸铁锂，但是因为它高电压的属性，使镍锰尖晶石材料的能量密度要远远高于磷酸铁锂。从它的放热曲线中可以看到，镍锰尖晶石产品的放热量以及整个热含，与磷酸铁锂相差并不大，要远远低于钴酸锂产品。3、锂宝解决方案镍锰尖晶石在使用的过程中存在着两个问题：（1）镍锰尖晶石的材料比较软，材料极片的压实密度比较。（2）随着在高电压体积下的使用，镍锰尖晶石中的锰金属溶出会极大的限制镍锰尖晶石材料的使用。针对以上两个问题，锂宝公司在镍锰尖晶石的研发上付诸很多实践。下面介绍一下锂宝的解决方案。解决方案一：提高压实密度传统的镍锰尖晶石产品是具有着完美的八面体结构，八面体结构的尖晶石材料使用的过程中，在极片碾压的过程中，处于六个顶点位置的部分极度容易被损失，产生析粉。我们对材料进行设计的时候，可不可以避免尖晶石的结构六个顶点发生损坏呢？我们通过对尖晶石的111晶面进行修饰，最终从图中可以看到由完美的八面体结构的颗粒，逐渐转换成具有一定的大单晶形貌的颗粒，这样可以极大的避免尖晶石材料在极片碾压过程中，造成材料突出部位的损坏。从这里面可以看出，常规的具有八面体结构的尖晶石材料，它的力度大概是在8微米，比表能够达到0.6-0.7，这时密度差不多能够达到1.6。而我们进行表面修饰后的尖晶石结构由八面体转化为大单晶之后，它的比表面积从0.7降低到0.4，甚至现在可以进一步地降低到小于0.3，这时密度可以从1.6提高到1.7，现在基本上可以提高到1.8。无论是从比表面积的降低，减少正极材料与电解液之间的副反应，还是通过表面形貌的改善，提高材料的压实密度来说，都能够对尖晶石材料在电池体系中的应用进行一个很好的提升。另一方面，借鉴于现在三元材料中多晶的二次球的理念，我们把具有八面体结构的尖晶石产品做成具有三元材料规则的二次球，进一步地降低材料的比表面积和材料表面的突出结构，从这里面可以看出材料的比表可以由0.7%降低到0.3%以下，而浸蚀密度可以进一步提高到2.1%，已经接近于目前三元材料的浸蚀密度的水平。我们通过对几种不同材料进行不同的组分的压实密度曲线，通过电性能以及SEM可以看出，我们对材料进行大单晶和小颗粒掺杂和纯大单晶的使用，并不会明显地降低尖晶石材料的容量。在2C的时候，容量也仅是2个毫安时。从极片压实可以看出，在3.0的时候八面体结构的尖晶石材料表面已经基本完全压碎，而具有大单晶材料的话，我们的尖晶石材料还能够保持相对来说比较完整的结构，我们进一步地将压实密度提高到3.2%，可以看出八面体结构的尖晶石基本上完全粉化了，大单晶材料只会出现局部的裂纹，大部分形貌尚能够保持完整。以上主要解决的是尖晶石材料在电池端的加工过程中的问题。第二部分，金属溶出我们通过对镍锰尖晶石进行理论分析，发现在镍锰尖晶石放电曲线中，在四伏左右的放电平台是具有活性的3价锰氧化层、4价锰电化学活性的体现。可以判断出，具有电化学活性的3价锰能够自其化发生尖晶效应，生成一部分的2价锰和4价锰。4价锰不具备电化学活性，具有稳定的骨架支撑作用，而2价锰就会溶出进入到电池体系，进入到负极。是否可以通过降低3价锰的含量，从而达到减少锰溶出的效果，我们对尖晶石材料进行的进一步的后处理，我们的后处理将对尖晶石一次物料以及常规的包覆物料和包覆处理物料进行对比。从对比结构电化学性能上可以看出，包覆之后材料容量得到一定程度的提升，同时在伺服电压平台3价锰的含量进一步地降低，通过对循环后的电池进行锰溶出的分析可以发现，锰溶出可以从1.08%急剧降低到0.37%，从这里可以判断出我们对材料进行的二次处理是有可以极大程度的减缓锰从金属上的溶出，通过进一步对55度条件下循环可以得出，我们的一次料在55度时候的锰溶出可以高达5%，而我们对它进行二次处理之后的材料锰溶出仅仅只有2%左右，高温条件下锰溶出同样得到了很大程度上的改善。这是氟锂锰材料进行常规的软包全电池的测试，可以看出在常规的条件下，在老化的过程中，产气比较严重，软包电池鼓胀很严重，而在改善的材料和电解液的匹配下，材料在老化的过程中，能够保持住电池很好的外观，产气也很少。通过对容量和循环的测试，可以看出尖晶石材料的循环的容量基本上可以满足前期的设计要求，而常温循环可以达到500周左右的循环寿命。这个全电池是我们前期的尖晶石测试结果，我们后期改善的材料目前正在测试之中。以上是锂宝公司对于高电压镍锰尖晶石的一些研究，欢迎各位专家批评指正，谢谢大家！
