3、 鎳鈷錳酸鋰（LiNiMnCoO 2或NMC）

鋰鎳錳鈷氧化物（簡(jiǎn)稱Li-NMC、LNMC、NMC或NCM）是鋰、鎳、錳、鈷的混合金屬氧化物。它們的通式為 LiNixMnyCozO2。最重要的代表具有接近 1 的x+y+z 組成，在過渡金屬位點(diǎn)上有少量鋰。在商業(yè) NMC 樣品中，該組合物通常具有 < 5% 的過量鋰。[1][2]該組中的結(jié)構(gòu)材料與鋰鈷 (III) 氧化物(LiCoO2)密切相關(guān)，具有層狀結(jié)構(gòu)，但在 1 處具有理想的 Mn(IV)、Co(III) 和 Ni(II) 電荷分布： 1:1 化學(xué)計(jì)量比。對(duì)于更富含鎳的組合物，鎳處于更氧化的狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)電荷平衡。NMCs是鋰離子電池中最重要的鋰離子存儲(chǔ)材料之一。它們用于正極，在放電過程中充當(dāng)陰極。

歷史

化學(xué)計(jì)量的 NMC 陰極表示為端元 LiCoO2、LiMnO2和 LiNiO2之間的固溶體中的點(diǎn)。它們?cè)跉v史上源自John B. Goodenoughs1980 年代對(duì) LiCoO2 的研究、Tsutomo Ohzuku 對(duì) Li(NiMn)O2 的研究以及對(duì) NaFeO2型材料的相關(guān)研究。與化學(xué)計(jì)量的 NMC 相關(guān)，富鋰NMC材料于 1998 年首次報(bào)道，其結(jié)構(gòu)類似于氧化鈷 (III) 鋰(LiCoO2)，但通過過量的鋰穩(wěn)定，Li/NMC > 1.0 , 表現(xiàn)為一系列的 Li材料中的 2MnO3類納米域。這些陰極首先由 CS Johnson、JT Vaughey、MM Thackeray、TE Bofinger 和 SA Hackney 報(bào)道。對(duì)于這兩種類型的 NMC 陰極，有一個(gè)正式的內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移，氧化錳并減少鎳陽(yáng)離子，而不是所有的過渡金屬陽(yáng)離子都是三價(jià)的。充電時(shí)形式上的鎳 (II) 的雙電子氧化有助于這些 NMC 正極材料的高容量。2001年阿魯穆甘曼蒂拉姆假設(shè)為層狀氧化物陰極創(chuàng)造高容量的機(jī)制是由一種轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的，這種轉(zhuǎn)變可以根據(jù)金屬 3d 帶相對(duì)于氧 2p 帶頂部的相對(duì)位置來理解。這一觀察有助于解釋 NMC 正極的高容量，因?yàn)楦哂?4.4 V（相對(duì)于鋰），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些觀察到的容量是由氧化物晶格的氧化而不是陽(yáng)離子氧化引起的。

2001 年，Christopher Johnson、Michael Thackeray、Khalil Amine和 Jaekook Kim為基于 Li2MnO3衍生域結(jié)構(gòu)的鋰鎳錳鈷氧化物 (NMC) 富鋰陰極申請(qǐng)了專利。2001年，陸中華和Jeff Dahn基于端元之間的固溶概念，為NMC類正極材料申請(qǐng)了專利。

金屬比率

幾種不同含量的鎳具有商業(yè)價(jià)值。三種金屬之間的比例由三個(gè)數(shù)字表示。例如LiNi0.333錳0.333鈷0.333ò2縮寫為NMC111或NMC333，的LiNi0.5錳0.3鈷0.2ò2至NMC532（或NCM523）的LiNi0.6錳0.2鈷0.2ò2至NMC622和的LiNi0.8錳0.1鈷0.1氧2到 NMC811。鑒于鈷采購(gòu)的潛在問題，人們對(duì)提高鎳含量感興趣，盡管這會(huì)降低熱穩(wěn)定性。

雖然碳酸鋰或氫氧化鋰都可以用于 NMC111，但需要?dú)溲趸噥碇圃?NMC811，因?yàn)檩^低的合成溫度有助于減輕鋰/鎳位點(diǎn)交換，這與性能降低有關(guān)。

NMC 電極的使用

奧迪 e-tron Sportback

大多數(shù)電動(dòng)汽車都使用 NMC 電池。NMC 電池于 2011/2011 年安裝在BMW ActiveE上，從 2013 年開始安裝在BMW i8 上。[14]截至2020年，采用NMC電池的電動(dòng)汽車包括：奧迪e-tron GE、北汽EU5 R550、寶馬i3、比亞迪元EV535、雪佛蘭Bolt、現(xiàn)代科納電氣、捷豹I-Pace、江鈴汽車JMC E200L、蔚來ES6 、日產(chǎn) Leaf S Plus、雷諾 ZOE、榮威 Ei5、大眾 e-Golf 和大眾 ID.3。[15]只有少數(shù)電動(dòng)汽車制造商不在其牽引電池中使用 NMC。最重要的例外是特斯拉，因?yàn)樘厮估褂肗CA其車輛的電池。然而，家用存儲(chǔ)Tesla Powerwall據(jù)說是【根據(jù)誰說的？]基于 NMC。

NMC 還用于移動(dòng)電子產(chǎn)品，例如移動(dòng)電話/智能手機(jī)、大多數(shù)電動(dòng)自行車電池中的筆記本電腦。對(duì)于這些應(yīng)用，2008 年仍然幾乎只使用鈷酸鋰 LCO 電池。[19]NMC 電池的另一個(gè)應(yīng)用是電池儲(chǔ)能電站。例如，在韓國(guó)，2016 年安裝了兩套帶有 NMC 用于頻率調(diào)節(jié)的儲(chǔ)能系統(tǒng)：一套容量為 16 MW，能量為 6 MWh，另一套為 24 MW 和 9 MWh。[20]2017/2018年，在澳大利亞西澳大利亞州的紐曼安裝并調(diào)試了超過30兆瓦容量和11兆瓦時(shí)的電池。

NMC 電極的特性

帶有 NMC 的鋰離子電池的電池電壓為 3.6-3.7 V。[23]Manthiram發(fā)現(xiàn)這些層狀氧化物陰極的容量限制是化學(xué)不穩(wěn)定性的結(jié)果，可以根據(jù)金屬 3d 帶相對(duì)位置的相對(duì)位置來理解。到氧 2p 波段的頂部。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池實(shí)際可接近的組成空間以及從安全角度來看的穩(wěn)定性具有重要意義。

由于該體系經(jīng)濟(jì)性和綜合性能表現(xiàn)均比較好，因此NMC混合鋰離子電池越來越受到重視。鎳，錳和鈷三種活性材料可輕松混合，以適應(yīng)需要頻繁循環(huán)的汽車和能源存儲(chǔ)系統(tǒng)（EES）的廣泛應(yīng)用。NMC家族的多樣性正在增長(zhǎng)。

匯總表

表8：  鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）的特性。