单晶和多晶性能上的差别，单晶与多晶三元材料性能对比及机理分析

单晶和多晶性能上的差别，单晶与多晶三元材料性能对比及机理分析单晶三元正极材料，不仅能够提高材料高压电下容量的发挥，同时可以有效改善材料的高温循环、胀气、容量恢复等方面的问题。此外，单晶体三元正极材料还具有以下优点：1：单晶三元正极材料单晶和多晶三元正极材料二：特性优势对于523三元，单晶材料具有循环，尤其是高温循环方面优势，热稳定性较好，更多的应用于高电压充放电。单晶材料的压实密度一般在3.3~3.5g/cm3，低于多晶材料3.5~3.7g/cm3。单晶材料价格比多晶材料一般高约1.5万元/吨。材料性能的各自特点决定了单晶或多晶使用于不同的电芯体系（软包，圆柱，方壳等），不同的应用于领域（电动车、3C电子等），并无绝对的好与坏。

一：单晶三元材料

1：定义

（1）：与NCM523、NCM622、NCM811等型号根据镍钴锰比例定义不同，三元正极材料可根据本身形貌分为两类：单晶和多晶。单晶即单个分散或类单个分散颗粒。

（2）：传统多晶三元正极材料：传统三元正极材料一般都是纳米级一次小颗粒聚集而成的球类或类球形二次颗粒

单晶和多晶三元正极材料

二：特性优势

对于523三元，单晶材料具有循环，尤其是高温循环方面优势，热稳定性较好，更多的应用于高电压充放电。单晶材料的压实密度一般在3.3~3.5g/cm3，低于多晶材料3.5~3.7g/cm3。单晶材料价格比多晶材料一般高约1.5万元/吨。材料性能的各自特点决定了单晶或多晶使用于不同的电芯体系（软包，圆柱，方壳等），不同的应用于领域（电动车、3C电子等），并无绝对的好与坏。

1：单晶三元正极材料

单晶三元正极材料，不仅能够提高材料高压电下容量的发挥，同时可以有效改善材料的高温循环、胀气、容量恢复等方面的问题。此外，单晶体三元正极材料还具有以下优点：

（1）：机械强度高，电极压实过程中不容易被压碎，压实可达3.8 ~ 4g/cm-3，其较高的压实可减小内阻，减小极化损失，延长电池循环寿命，提高电池能量；

单晶材料由于不存在二次颗粒中的晶界，具备较好的机械强度和耐压性，因此在电极辊压和充放电过程中不容易破裂。晶界数量少，应力集中点少，界面稳定，能一定程度降低电池在充放电过程中正极材料由于相变导致的微裂纹的产生和蔓延，减少活性材料与电解液的接触界面，从而减少循环产气。发展单晶高镍材料被认为是改善电池安全性和循环寿命的有效方法。如NCM523/622单晶中镍三元材料相对于团聚体/多晶材料在产热、高温循环等方面具有一定的优势。

综上，单晶三元材料具有较好机械强度，从而抑制颗粒破碎，降低与电解液接触的副反应及相变，稳定材料结构，从一定角度讲，改善了材料的性能。

（2）：特殊的一次单晶粒子，比表面积低，有效降低了副反应；

粒径大小直接决定其振实密度的大小。 振实密度是宏观的，比表面积和粒径是微观的。在一般情况下振实密度与比表面积成反比，振实密度与粒径成正比。在保持现有的容量和充放电平台的基础上，单晶正极材料的粒径大，振实密度也大提高了锂离子电池的体积容量，同时大幅度地提升了锂电池的安全性，使锂离子电池的品质得到大幅度提升。单晶材料具有更好的机械强度和较小的比表面，能够有效的减少界面副反应，因此能够有效的提升高镍正极材料的循环稳定性，特别是在高温条件下的循环稳定性；

（3）：单晶颗粒表面较为光滑，与导电剂可以较好的接触，利于锂离子的传输。因此开发单晶三元材料的研究将成为锂离子电池材料研究的新方向。

（4）：单晶材料结构稳定性对负极的影响，对于氧化物正极而言，过渡金属元素的溶解，会在负极沉积是引起电池性能衰降的重要原因。在二次颗粒电池中的负极在厚度方向上存在显著的浓度梯度，位于电极底部的区域Li浓度更高，这主要是因为随着负极极化的增加，放电过程中负极无法完全脱锂，从而导致了部分Li困在了负极内部，而相比之下，采用单晶材料正极的电池中的负极，在电极厚度方向上的Li浓度分布则更为均匀。

三：存在问题

1：单晶三元正极材料

单晶三元材料因为其优异性和广阔的市场前景而成为目前的研究热点之一，但还是有一些问题额待解决：

（1）：首次充放电效率低；

（2）：容量损失严重；

（3）：倍率性能差；

单晶正极材料受限于相对较低的比表面积，倍率性能可能稍有不足;

2：传统多晶三元正极材料（耐高压性能较差，压实密度较低，机械强度较低）

目前，国内外三元正极材料厂家所生产的材料多为细小晶粒团聚而成的二次球形颗粒。然而，二次球形颗粒存在以下额待解决的问题：

（1）：颗粒机械强度较低，一次颗粒表面较大等问题，：

（2）：多晶NMC内部存在大量晶界（grain boundary），在高温循环和长循环的充放电过程中，由于锂离子的嵌入嵌出，晶格常数/晶胞体积发生变化，产生各向异性应力，多晶NMC容易出现晶界开裂，导致颗粒破碎。颗粒表面产生了大量的微观裂纹，微裂纹是H2-H3相变过程中，电极材料各向异性的膨胀和收缩导致的；另外，高截止电压下正极材料的体积变化也有一定作用。

这种微裂纹导致正极材料内部电连接的破坏和界面副反应快速增加，产生更多的副反应，出现了从R3m层状结构向Fm3m岩盐结构的转变，其表层出现了一层厚度在30nm左右的类NiO岩盐相，这层非活性层阻碍了Li 的扩散，导致了极化的增加，制约了锂离子的嵌入嵌出，导致电池阻抗上升，容量降低，胀气等问题，最终使得电池容量/有效能量密度降低，影响了材料热稳定性，进而关系到电芯的存储，安全性能；

（3）：二次球形颗粒结构致使“骨架”结构牢固性差，二次球内部、外部一次粒径小且结构缺陷多，在高压充放电条件下二次球破碎，易发生结构坍塌，导致材料内部颗粒裸露，副反应增加和金属离子溶出加剧，导致电化学性能下降。