第三代正极材料即将量产应用

在CIBF2023论坛上，中科院物理所黄学杰研究员将锂电正极材料的发展划分成三代，第一代是锰酸锂，第二代是磷酸铁锂与三元，第三代是尖晶石镍锰酸锂（LiNi0.5Mn1.5O4，简称LNMO）和镍酸锂。从上述观点可看出，黄老师认为尖晶石镍锰酸锂和镍酸锂是取代磷酸铁锂和三元材料的第三代正极材料。

这篇文章主要讨论LNMO，关于镍酸锂后续再与大家探讨。除了黄老师提出LNMO将成为第三代正极材料的观点外，中航锂电、比克、蜂巢能源均有类似的公开观点和研发规划。

中航锂电乘用车事业部总经理谢秋在中国电动汽车百人会报告中提到，现在正常的NCM 5系、6系的材料，锂只用到了70%，其他30%的锂是不参与充放电的，这是一种资源的巨大浪费。LNMO参与反应的锂可以达到95%，与LFP的锂利用率差不多，但是LNMO能量密度又比LFP高很多。如果现在锂的利用率从70%提升到95%，意味着行业对于锂的需求能下降大约30%。低镍高锰从成本和资源的角度，LNMO正是下一代电池材料的候选方案。

比克电池首席科学家林建博士在2022高工锂电年会报告中提到，在高压化发展趋势下，LNMO已成为正极发展的主流方向之一，LNMO比容量可达133mAh/g，能量密度625Wh/kg，倍率性能优异，且材料成本优势明显，可取代LFP和LMO应用在电动工具和储能领域。相信随着正极材料包覆、掺杂和高电压电解液技术的发展，5V尖晶石镍锰酸锂材料会是行业又一大有前途的材料。

蜂巢能源材料事业部李子郯总经理在ABCA-5国际论坛报告中讲到，蜂巢能源将无钴正极材料作为未来的主要发展方向，包括三条路线：

1）Ni75单晶（190mAh/g已量产）；

2）无钴锂（预研）；

3）无钴尖晶石镍锰酸锂（技术储备，受限于高电压电解液）。

LNMO之所以被看成第三代正极材料，是因为具有以下优点：

1）低成本，因为LNMO真正实现了无钴化（钴成本高），以过渡金属Mn为主（锰成本低），价格相对于LFP降低20%，相对于三元降低40%；

2）高能量密度，LNMO相对于LFP能量密度提升22.5%

LNMO实际容量：135mAh/g（理论放电容量146.7mA·h/g），LNMO平均电压：4.5V；LFP实际容量：155mAh/g，LFP平均电压：3.2V

LNMO相对LFP能量密度提升：（4.5×135-3.2×155）/(3.2×155)=(607.5-496)/496=22.5%

3）锂用量低，提供相同能量，LNMO用锂量为LFP的70.5%

LNMO摩尔质量：183g/mol，LFP摩尔质量：158g/mol

提供相同能量1wh，需要锂含量比较：

LNMO需要锂的质量为：（1000/607.5）×（7/183）=0.0630g

LFP需要锂的质量为：（1000/496）×（7/158）=0.0893g

0.0630/0.0893=70.5%，即提供相同能量，LNMO相对于LFP节省Li使用量近30%。

虽然LNMO有很多优点，被行业内众多企业和研究机构看好，但一直为什么没有进入量产呢？主要因为LNMO存在锰溶出、无合适的耐高压电解液匹配，导致容量衰减快。

黄老师能够提出LNMO将是第三代正极材料，说明他们已经解决了LNMO面临的大部分主要问题，材料已经满足工程化应用的条件。

根据黄老师项目组前期在行业内公开的信息，2020年底，松山湖实验室现已具备300kg/d的规模化能力（130mAh/g、2000次循环）。装成LNMO/石墨软包电池，100周循环保持率97%，效率99.9%，克服了电池体系高电压下的稳定性，同时软包电池循环100周也很稳定，没有产气。通过阻抗分析，循环100周阻抗很稳定。联合下游的合作伙伴做成100Ah的铝壳电池，充电到4.8V，做针刺试验，没有起火、没有爆炸，说明高电压镍锰酸锂有很好的安全性。

根据2023年报告内容，组装的32Ah LNMO/石墨软包动力电池，12min可实现20%SOC到80%SOC、-20℃放电容量保持率94.6%、循环寿命超过3000次。 LNMO电池的体积能量密度超过LFP 50%。