一直以來，我們都在追求即具有高的穩(wěn)定性，又具有良好的循環(huán)性能和高比容量的鋰離子電池電極材料，然而大多數(shù)情況下鋰離子電池電極材料無法同時滿足上述要求，例如NCM材料為了追求高的比容量而提高Ni元素的含量，就不得不放棄循環(huán)性能和熱穩(wěn)定，正所謂魚與熊掌不可兼得。

高Ni材料Li[Ni1-xMx]O2(M=metals)具有高容量和高能量密度，是一種十分具有潛力的鋰離子電池正極材料，但是高鎳材料也存在著熱穩(wěn)定差的缺點，這主要是較高的脫鋰程度時，材料結構容易釋放出O原子，這可能會導致鋰離子電池熱失控和爆炸。

同時Li[Ni1-xMx]O2的循環(huán)性能也較差，這主要是Ni4+不穩(wěn)定造成的，容易轉變?yōu)榈蛢r態(tài)從而進入到Li層，占據(jù)鋰位造成不可逆容量。同時在脫鋰狀態(tài)下，Ni元素較高的價態(tài)也容易與電解液反應，造成電解液氧化，對電池的循環(huán)壽命造成負面的影響。

現(xiàn)在NCM材料面對一個兩難的境地：為了提高容量，就要提高Ni的含量，但是為了提高材料的穩(wěn)定性，就要降低Ni的含量。那究竟有沒有什么辦法能夠魚與熊掌兼得呢?答案是有的，這就是梯度濃度材料，與核殼結構材料。

其實這兩種方法的原理很簡單，就是利用了不同Ni含量的材料的穩(wěn)定性不同，材料顆粒從內而外，Ni的濃度逐漸降低，從內而外形成了一個濃度梯度，這就是所謂的梯度濃度材料。

而核殼結構的材料同樣利用了Ni元素的濃度變化，形成了一個核心高鎳，外部低鎳的核殼結構。這兩種方法充分發(fā)揮了低鎳材料熱穩(wěn)定性好，與電解液副反應少的優(yōu)點，同時也獲得了高鎳材料容量高的優(yōu)點，同時兼顧了高容量和高穩(wěn)定性兩個方面。

近日，天津大學的YonghengZhang等人結合著兩種方法的優(yōu)點研發(fā)了一種新型的具有核殼結構的梯度濃度NCM材料。我們知道，核殼結構材料雖然同時結合了高鎳NCM和低鎳NCM的優(yōu)點，但是由于核心與外殼之間存在著明顯的界限，同時核心和外殼在充放電過程中體積變化不同，因此很容易在循環(huán)過程中在核心和外殼之間形成間隙從而破壞材料的結構，造成容量的衰降。

為了避免這一現(xiàn)象，YonghengZhang等人結合了梯度材料的優(yōu)點，形成了具有三層結構的NCM材料，其中核心為高鎳材料，中間為具有梯度濃度分布的過渡層，最外層則為低鎳的外殼，中間的過渡層能夠很好的吸收不同的體積膨脹造成的應力，從而穩(wěn)定材料的結構。這種材料的設計不是難點，難點在于材料前軀體的合成工藝，下面就讓我們一起看一下，該材料的合成過程。

首先將Ni、Co和Mn的硫酸鹽溶液按照8：1：1的比例泵入到N2保護的攪拌器之中，與NaOH和NH3·H2O反應獲得NCM811的前驅體[Ni0.8Co0.1Mn0.1](OH)2。然后繼續(xù)向反應器內按照Ni：Co：Mn的比例為4.5：1：4.5的比例泵入三種金屬的硫酸鹽溶液，獲得具有核殼結構的前驅體[(Ni0.8Co0.1Mn0.1)0.6(Ni0.45Co0.1Mn0.45)0.4](OH)2，然后將該前驅體與Li2CO3混合，首先在750℃先預加熱4h，然后在860℃下加熱16h，獲得具有全新結構的核殼結構的NCM材料。

由于過渡族金屬元素在高溫過程十分容易發(fā)生擴散，因此該材料在高溫的焙燒過程中，形成一種內核高鎳，中間過渡，外殼的低鎳的獨特結構，這種結構結合了梯度濃度材料和核殼結構材料的優(yōu)點，保證材料良好的電化學性能。

在電化學測試中，這種新型結構的材料在3.0-4.3V的電壓范圍內，比容量為172.5mAh/g，相比于普通的NCM材料，該材料在循環(huán)性能上也有優(yōu)異的表現(xiàn)，200次循環(huán)容量保持率為78.5%，較普通NCM材料有較大的提升。同時材料在55℃高溫條件下的循環(huán)性能也得到加強，100次循環(huán)，容量保持率為85.8%。熱失重實驗也發(fā)現(xiàn)，該材料在熱穩(wěn)定方面也有較大的提升。

這種方法使得NCM材料的性能獲得了極大的提升，雖然相比于NCA材料還有差距，但是這種方法對NCM和NCA等三元材料的生產(chǎn)具有重要的啟示意義，生產(chǎn)中可以結合實際情況，利用該項技術對生產(chǎn)工藝相應的改進，提高材料的性能，滿足下游鋰離子電池生產(chǎn)商對電化學性能和安全性能的需求。