越來越多的電動汽車開始進入到普通消費者的生活之中，對于電動汽車人們擔心的主要有兩點：1）續(xù)航里程，這主要與鋰離子電池的能量密度有關；2）使用壽命，這主要與鋰離子電池的循環(huán)壽命有關。近年來隨著電動汽車的續(xù)航里程的不斷提升，動力電池的能量密度也在持續(xù)升高，然而高能量密度帶來的一個負面影響就是循環(huán)壽命的下降，這似乎是動力電池無法逃脫的一個宿命，然而近年來開始出現的單晶材料似乎為高能量密度鋰離子電池的長壽命之路點亮了一盞指路明燈。

 

 

2017年加拿大達爾豪斯大學的Jing Li（第一作者）和J. R. Dahn（通訊作者）對單晶NCM523和多晶NCM523材料在軟包電池中性能表現進行了深入的研究和分析，研究表明單晶NCM523材料更適合應用應用在對循環(huán)壽命要求比較高的領域。

 

多晶NCM523材料雖然二次顆粒的直徑可達10um以上，但是實際上其一次顆粒的尺寸僅為200-400nm，而單晶NCM523材料的單個顆粒直徑為2-3um左右（如上圖所示），要遠大于多晶NCM523一次晶體顆粒的尺寸。

 

下圖為單晶NCM523材料顆粒的掃描電鏡圖片，從圖中能夠看到單晶NCM523材料中少數的較大顆粒是由多個晶體顆粒組成，大部分的顆粒還是由單一晶體構成。

 

 

下圖展示單晶NCM523（SC-523）和多晶NCM523（UC-523），以及Al2O3包覆NCM523（AC-523）三種材料在扣式半電池中在3-4.5V、3-4.4V和3-4.3V電壓范圍內的充放電曲線，電流密度為10mA/g（C/20），測試溫度為30℃。下表為三種材料在4.3V、4.4V和4.5V截止電壓下的比容量數據，從下圖中可以看到AC-523材料的可逆容量在各個電壓下都是最高的，分別可以達到174.6mAh/g、188.1mAh/g和199.2mAh/g，而單晶NCM523材料的比容量分別為165.6、179.2和189.9mAh/g，是三種材料中最低的。

 

 

 

下圖為三種材料與石墨負極制作的軟包電池的庫倫效率隨循環(huán)次數的變化趨勢，測試條件為3-4.4V，溫度為40℃，分別采用了不同的電解液添加劑，從下圖中能夠看到無論是在哪種電解液中采用單晶NCM523的電池的庫倫效率都要明顯好于多晶NCM523材料，這也表明單晶材料的界面穩(wěn)定性更好，能夠減少副反應的發(fā)生。

 

 

為了進一步驗證單晶NCM523和Al2O3表面包覆NCM523材料的界面穩(wěn)定性，作者采用PES211電解液，石墨負極制作軟包電池，分別在4.4V、4.5V和4.6V和40℃下分別浮充100h，從下圖能夠看到單晶NCM523材料在整個浮充過程中產氣體積非常少，分別為0.01、0.01和0.04mL，而多晶NCM523材料盡管表面包覆了Al2O3，但是其產氣的體積仍然高達0.07、0.27和0.62ml，該實驗表明單晶NCM523材料能夠很好的抑制副反應的發(fā)生，從而減少高電壓下的產氣。

 

 

下圖為三種材料在不同SoC狀態(tài)下進行加熱時釋放O2量的測試結果，從下圖d-f能夠看到多晶NCM523材料在80℃附近還有一個小的釋放O2的峰，特別是在高SoC狀態(tài)下這一峰變的更為明顯，而單晶NCM523材料在這一溫度下并沒有出現釋放O2的峰。從下圖a-c能夠看到三種材料在200-350℃的范圍內也有一個釋放O2的峰，隨著SoC的提高，該峰的強度也出現了明顯的升高，雖然三種材料在這一范圍內都出現了O2釋放峰，但是單晶材料峰值溫度是最高的，這也再一次表明單晶NCM523材料在熱穩(wěn)定性上要比常規(guī)的多晶NCM523更加優(yōu)異。

 

 

下圖為單晶NCM523和多晶NCM523與石墨制備的軟包電池采用不同電解液在40和55℃下的循環(huán)性能（C/2，3-4.4V）對比，從下圖能夠看到無論是在40℃，還是在55℃下，單晶NCM523材料的循環(huán)性能都要明顯優(yōu)于Al2O3包覆的NCM523材料，例如在40℃下采用Q2FEC和PES211電解液的單晶NCM523電池在經過300次循環(huán)后，容量保持率仍然可達98%，而Al2O3包覆的NCM523材料的電池在采用同樣電解液的情況下，循環(huán)300次后容量保持率僅為92%，在55℃下這一差距更加明顯，采用PES211、Q5FEC和1BFC電解液的單晶NCM523材料電池循環(huán)300次后容量保持率可達94%以上，而Al2O3包覆的NCM523材料電池的容量保持率還不到85%。

 

 

總的來看，單晶NCM523材料在比容量上要低于多晶NCM523材料，但是在產氣、熱穩(wěn)定性，特別是在循環(huán)性能上單晶NCM523材料都要明顯的優(yōu)于多晶NCM523材料，因此單晶NCM523材料更適合應用在一些對倍率性能要求不高，但是對于循環(huán)性能有較高要求的領域。