项目名称

高性能锂离子电池关键材料技术研究与应用

提名奖项和等级

奖项： 天津市科学技术进步奖

等级： 一等奖

主要完成单位

 南开大学、天津市捷威动力工业有限公司、物质绿色创造与制造海河实验室

主要

完成人

陶占良、马华、程方益、李海霞、张桢、周朋飞、孟焕菊、张宇栋、郭建、高秀玲、刘峰、陈军

提名单位

物质绿色创造与制造海河实验室

项目简介

在碳达峰、碳中和目标引领下，汽车电动化是实现交通行业碳中和以及绿色低碳转型的重要技术选项，其中动力电池性能是决定电动汽车发展的主要限制性因素。正极材料是动力锂电池的核心关键材料，开发出高能量密度、长寿命、可快充、高安全、低成本的正极材料对电动汽车的规模化商用至关重要。目前，面向电动汽车应用的正极材料体系主要是磷酸铁锂和三元材料（NCA/NCM），三元材料兼具高能量密度、高续航里程、高性价比的优势，在高比能电池趋势下，高镍NCA和NCM材料体系的研发越来越迫切。

三元前驱体是生产三元正极材料的主要原料，其价值可占到三元正极材料价值的一半以上，是决定电池成本的关键因素。在国内外生产三元正极材料前驱体的主流方法中，由于Al(OH)₃、Ni(OH)₂和Co(OH)₂的溶度积常数差别较大，铝离子极易形成絮状产物，难以实现原子级均匀混合。且随着镍含量增加，三元材料循环和热稳定性变差；活性材料腐蚀和电解液分解将严重影响电荷在电极/电解液界面的传输，导致材料容量衰减和阻抗升高；同时，电池容量加大间接拉长了充电时长，快充功能日渐成为新能源车的标配，这对动力电池充电速度提出了更高的要求。

针对高能量密度的三元材料体系（NCA和NCM）存在的问题，南开大学、天津市捷威动力工业有限公司、物质绿色创造与制造海河实验室联合开展产学研合作，在电池关键材料的制备工艺和电池技术方面进行攻关，力求解决NCA/NCM前驱体及正极材料产品性能、电池充电速度慢、安全性低等难题，实现锂离子动力电池的高比能和快充性能。

发现点/发明点/创新点

（1）提出AlO₂^-作铝盐，采用共沉淀法合成NCA三元前驱体的技术路线，保证过渡金属离子在反应釜中均匀沉淀，得到粒径分布均一、形貌良好的材料前驱体。通过干法均质磨合和湿法沉积，采用包覆（Zr(OH)₄、SiO₂等）、梯度掺杂（Mg²⁺等）手段，提高高镍NCA材料的结构和界面稳定性，改善了NCA正极材料的循环、高温充放电、安全及存储性能。

（2）发展后置进料式共沉淀制备高镍三元NCM正极材料前驱体的工艺路线，一锅法实现前驱体合成后的原位包覆，在获得良好包覆效果的同时简化工序、降低成本。开展类单晶型高镍三元正极材料设计开发和应用，通过定向晶面调控技术提升高镍三元材料结构稳定性和热稳定性，改善电芯循环寿命和热安全性。

（3）针对下一代锂离子电池富锂锰基（LLMO）正极材料，制备了LLMO多孔纳米棒，阐释了嵌/脱锂机制及材料构效关系。通过阳离子混排和锂空位引入，提高了LLMO氧阴离子氧化还原可逆性，揭示了本征结构调控对氧阴离子氧化还原化学的影响规律。

（4）开展复合耐热涂层开发、正极片边缘安全涂层等电池极片安全结构设计和电池模组冷却结构设计，提升电池抗内部短路能力和高比能电池的安全性。优化高功率快充电池内阻降低方案，提高离子输运能力，按照充电电流阶梯降低的方式实现快速充电，提高了低温下的放电容量保持率。

主要技术支撑材料

1.代表性论文

1.Preparation and characterization of LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ with high cycling stability by using AlO₂^- as Al source. Meng Huanju, Zhou Pengfei, Zhang Zhen, Tao Zhanliang, Chen Jun. Ceramics International, 2017, 43, 3885-3892

2.SiO₂-coated LiNi_0.915Co_0.075Al_0.01O₂ cathode material for rechargeable Li-ion batteries. Zhou Pengfei, Zhang Zhen, Meng Huanju, Lu Yanying, Cao Jun, Cheng Fangyi, Tao Zhanliang, Chen Jun. Nanoscale, 2016, 8, 19263-19269

3.Amorphous Zr(OH)₄ coated LiNi_0.915Co_0.075Al_0.01O₂ cathode material with enhanced electrochemical performance for lithium ion batteries. Zhang Zhen, Zhou Pengfei, Meng Huanju, Chen Chengcheng, Cheng Fangyi, Tao Zhanliang, Chen Jun. Journal of Energy Chemistry, 2017, 36, 481-487

4.Stabilizing nickel-rich layered oxide cathodes by magnesium doping for rechargeable lithium-ion batteries. Li Hang, Zhou Pengfei, Liu Fangming, Li Haixia, Cheng Fangyi, Chen Jun. Chemical Science, 2019, 10, 1374-1379

5.LiNi_0.90Co_0.07Mg_0.03O₂ cathode materials with Mg concentration gradient for rechargeable lithiumion batteries. Zhang Yudong, Li Hang, Liu Junxiang, Zhang Jicheng, Cheng Fangyi, Chen Jun. Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 20958-20964

6.Recent developments on and prospects for electrode materials with hierarchical structures for lithium-ion batteries. Zhou Limin, Zhang Kai, Hu Zhe, Tao Zhanliang, Mai Liqiang, Kang Yong-Mook, Chou Shu-Lei, Chen Jun. Advanced Energy Materials, 2018, 8, 1701415

7.Porous 0.2Li₂MnO₃·0.8LiNi_0.5Mn_0.5O₂ nanorods as cathode materials for lithium-ion batteries. Yang Jingang, Cheng Fangyi, Zhang Xiaolong, Gao Haiyan, Tao Zhanliang, Chen Jun. Journal of Materials Chemistry A, 2014, 2, 1636-1640

8.Tuning oxygen redox chemistry in Li-rich Mn-based layered oxide cathodes by modulating cation arrangement. Zhang Jicheng, Cheng Fangyi, Chou Shulei, Wang Jianli, Gu Lin, Wang Heng, Yoshikawa Hirofumi, Lu Yong, Chen Jun. Advanced Materials, 2019, 31, 1901808

2.知识产权和标准规范

（格式：知识产权类别，名称，国别，授权号，权利人，发明人）

1.发明专利, 一种Zr(OH)₄包覆镍钴铝三元正极材料的制备方法, 中国, ZL201610778078.5, 南开大学, 陶占良; 张桢; 周朋飞; 孟焕菊; 程方益; 陈军

2.发明专利, 一种类单晶型高镍多元材料前驱体, 中国, ZL201811059154.2, 天津市捷威动力工业有限公司, 郭建; 高秀玲;李文文; 王驰伟

3.发明专利, 一种类单晶型高镍多元材料的制备方法,中国, ZL201811059155.7, 天津市捷威动力工业有限公司, 郭建; 高秀玲;李文文; 王驰伟

4.发明专利, 一种高循环容量抗电压衰退富锂层状正极材料的制备方法, 中国, ZL201810970038.X, 南开大学, 陈军; 张继成; 程方益; 严振华; 李海霞

5.发明专利, 电解液添加剂及应用、包括该添加剂的非水电解液和电池, 中国, ZL202010429514.4, 天津市捷威动力工业有限公司, 段堂辉; 董晶; 杨欢; 陈祥兰; 陶琴; 高秀玲

6.发明专利, 一种隔膜用涂层浆料、复合耐热隔膜及其制备方法, 中国, ZL201610786396.6, 天津市捷威动力工业有限公司, 张越超; 李天龙; 高秀玲; 王立仕; 王驰伟

7.实用新型, 一种具有安全涂层的锂离子电池, 中国, ZL201821048185.3, 天津市捷威动力工业有限公司, 申津婧; 高秀玲; 王驰伟

8.实用新型, 一种锂离子电池, 中国, ZL201920405731.2, 天津市捷威动力工业有限公司, 国天骄; 冯树南; 宋文娥; 李学; 马华; 李文文; 刘良宝; 任彦鹏

9.实用新型, 一种锂离子电池极片及叠片式锂离子电池, 中国, ZL201921323781.2, 天津市捷威动力工业有限公司, 马华; 李娟娟; 纪影; 从长杰

10.实用新型, 一种模组冷却结构, 中国, ZL202021663642.7, 天津市捷威动力工业有限公司, 宋涛; 彭月猛; 刘峰; 陈保国; 邢志斌

11.标准规范, 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸, 中国, GB/T 34013-2017, 含天津市捷威动力工业有限公司等17家公司（排名14）, 含王驰伟等29人（排名26）