近日，比亚迪的新款“秦”和“唐”两款混合动力汽车上市，相比于旧款车型主要在续航里程上进行了提升，纯电续航里程从原本的70km提升到了100km，这主要得益于采用了能量密度更高的三元材料。比亚迪是国内最大的动力电池出货商，此前曾一致坚持采用磷酸铁锂动力电池，随着比亚迪投身三元材料动力电池的怀抱，意味着三元材料最终在乘用车市场取得了决定性的胜利。

三元材料一般指的是NMC材料，主要含有Ni、Mn和Co三种元素，其中Ni元素含量越高，材料的容量也越高，但是相应的材料的稳定性也就越差，特别是材料／电解液界面稳定性也会相应地降低，从而导致副反应的发生，影响材料的循环稳定性。这也是高镍三元材料，特别是NMC811材料尚未普及的重要原因。表面包覆是常用的提高材料界面稳定性的方法，常见的包覆材料有MgO、Al2O3、TiO2、SiO2、ZnO、SnO2、ZrO2等，表面包覆的主要作用原理是阻止材料表面和电解液直接接触，减少副反应的发生，抑制材料的相变，提升材料的结构稳定性，从而提升材料的循环稳定性【1】。

为了改善高镍三元材料NMC811材料界面稳定性，韩国仁川大学的Bum-Jin Chae和Taeeun Yim两人提出了一种基于磺酸盐的表面包覆层技术，通过采用表面改性该技术，显著提升了NMC811材料的电化学性能。

Jin Chae首先合成了N,N-二甲基吡咯烷甲基磺酸作为包覆层的前驱体材料（合成方法参见原文），将上述前驱体溶解在NMP之中，然后将NMC811粉末加入到上述溶液之中搅拌1h，然后将上述粉末过滤分离后在600℃下热处理3h，该过程如下图所示。

经过表面包覆处理的NMC811材料的形貌入下图所示，TEM研究显示，包覆层的厚度在10nm左右，磺酸基包覆层均匀的包覆在NMC811材料的表面，这主要是得益于热处理过程中较低的升温和降温速率（1℃／分钟），在快速升温和降温的情况下（50℃／分钟），NMC811材料的表面没有观察到均匀包覆的表面涂层。

Jin Chae对上述经过表面包覆处理的NMC811材料进行了电化学测试，测试结果入下图所示。从图a可以看到经过包覆处理后的NMC811材料相比于没有经过处理的NMC811材料，在首次充电的过程中极化更小，这表明磺酸基的薄膜能够促进Li+的扩散，这一作用也体现在了NMC811材料的倍率性能上，测试表明5%包覆量的NMC811材料表现出了更好的倍率性能，相比于0.1C容量，0.5C容量保持率为95.1%，1.0C容量保持率为92.2%，5C容量保持率82.4%，明显高于未经过包覆处理的NMC8111材料。包覆层对NMC811材料循环性能的提升更加明显，5%包覆量的NMC811材料，循环50次后，容量保持率可达97.4%，平均库伦效率达到99.8%，没有经过包覆处理的NMC811材料，容量保持率仅为86.5%，平均库伦效率也仅为99.3%。

经过循环后的材料如下图所示，没有经过包覆处理的NMC811材料表面覆盖了一层厚厚的电解液分解产物，EDS分析也发现，其表面的F元素的含量（6.15%）也远高于5%包覆量的NMC811材料（3.77%），F元素主要来源于LiPF6的分解，高的F元素含量表明在循环过程中电解液在NMC811材料表面发生了较多的分解，这在高镍三元材料中非常普遍，并且随着材料中Ni含量的提高，分解也会加速。而经过包覆处理后的材料表面状态与初始状态相比变化不大，表明NMC811材料经过包覆后，界面的稳定性大大提高。

该磺酸盐基的表面包覆层能够很好的抑制循环过程中电解液的分解，提升NMC811等高镍三元材料的循环性能，该包覆层还能够促进Li+的扩散从而达到提升材料倍率性能的目的。同时该包覆处理工艺相对简单，适合大规模的工业化生产，相信随着高镍三元材料，特别是Ni含量超过80%的三元材料的普及，该包覆技术将有广阔的应用前景。

撰稿：凭栏眺

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