NCM高能量密度電池目前有兩種實踐方式，其一是簡單粗暴直接上NCM811，其一是使用NCM523或NCM622走高電壓路線。但無論使用哪種方式，電池的安全性始終是揮之不去的話題。在NCM顆粒表面包覆LFP的概念很早就有，四川德陽威旭鋰電也一直在為其包覆產品奔跑呼喊。前段時間召開的電動汽車百人會上賓夕法尼亞州立大學的王朝陽教授也提出在NCM表面包覆LFP改善材料的穩定性。那NCM表面包覆LFP究竟效果如何呢？最近，上海空間電源研究所的Lei Zhu (第一作者)等研究了NCM523表面包覆LFP (記為NCM-LFP)電池在高電壓下的電化學性能和安全特性，結果顯示NCM-LFP電池不僅高電壓電化學性能提升，產熱量也顯著降低，同時通過擠壓侵入測試和針刺測試。詳見LiFePO4-Coated LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Materials with Improved High Voltage Electrochemical Performance and Enhanced Safety for Lithium Ion Pouch Cells.
Journal of The Electrochemical Society, 2019, 166 (3): A5437-A5444.圖文淺析：
一．材料製備與表徵
圖1. NCM-LFP SEM圖像，其中a-d LFP含量(wt.%)依次為5%、10%、15%和20%。
圖2. (a)(b) NCM-LFP SEM圖像；(c) Fe元素分佈。
實驗所用的NCM523-LFP材料由德陽威旭鋰電提供。材料製備過程非常簡單，直接將NCM523和LFP顆粒混合高速攪拌即可。NCM523-LFP SEM圖像如圖1和圖2所示。結果製備過程和SEM結果看，LFP更多是吸附或者粘合在NCM523顆粒表面，與通常意義上理解的包覆略有差距。
二．電化學性能表徵
圖3. (a)(b) NCM523和NCM523-LFP在4.3 V和4.6 V充電截止電壓下的倍率性能； (c)(d) NCM523和NCM523-LFP分別在4.6 V充電截止電壓下的阻抗譜圖；(e) NCM523和NCM523-LFP表面電阻對比；(f) NCM523和NCM523-LFP電荷轉移電阻對比。
從倍率性能對比看，NCM523-LFP無論是4.3 V還是4.6 V充電截止電壓下的倍率性能均優於NCM523，其中4.6 V充電截止電壓下NCM523-LFP的倍率優勢尤為明顯。從阻抗譜分析，NCM523-LFP的表面電阻和電荷轉移電阻均低於NCM523，這也正是NMC523-LFP擁有良好倍率性能的原因。
圖4. (a) 5 Ah NCM523/MCMB軟包電池和NMC523-LFP/MCMB軟包電池在2.75-4.5 V 1C循環結果；(b) NCM523/MCMB軟包電池首圈和第100圈充放電曲線；(c) NCM523-LFP/MCMB軟包電池首圈和第100圈充放電曲線。
從4.5 V高電壓循環結果看，明顯NCM523容量衰減更快。同樣循環100周，NCM523容量保持率僅有81.4%，而NMC523-LFP容量保持率則有90%。
三．電池安全性測試
圖5. (a) NCM523/MCMB軟包電池侵入測試曲線；(b) NCM523-LFP/MCMB軟包電池侵入測試曲線；(c) NCM523/MCMB軟包電池針刺測試結果；(d) NCM523-LFP/MCMB軟包電池針刺測試結果；(e) NCM523/MCMB軟包電池熱失控曲線；(f) NCM523-LFP/MCMB軟包電池熱失控曲線。注：以上電池均在4.5 V滿充下進行。
安全性是NCM523-LFP電池的突出賣點。為了展示NCM523-LFP電池的安全優勢，作者分別對4.5 V NCM523電池和NCM523-LFP電池進行了侵入測試和針刺測試，結果如圖5所示。不過文中並未對侵入測試的具體細節進行說明，從字面看應該是擠壓測試，實驗終止條件為電壓到達0 V。從圖5 可以看出，純NCM523電池無論是侵入測試還是針刺測試電池均發生熱失控，而NCM523-LFP電池均未發生熱失控。圖5e-f顯示即使NCM523-LFP電池發生熱失控其最高溫度為276.1 ℃，而NCM523電池熱失控最高溫度則達到289.6 ℃，顯然NCM523-LFP電池熱失控的猛烈程度更低。從以上對比不難看出LFP包覆後NCM523電池的安全性有了顯著提升。
圖6. NCM523和NCM523-LFP正極材料4.2 V (a)和4.5 V (b) DSC測試結果。
圖6所示的DSC測試結果進一步驗證了NCM523-LFP的安全優勢。無論是4.2 V還是4.5 V，NCM523-LFP的產熱量均低於NCM523。並且從4.2 V到4.5 V，NCM523的產熱量增加明顯，而NCM523-LFP的產熱量不僅沒有增加反而有所降低。
三．機理解釋
圖7. (a-g) NCM523循環後的TEM圖像；(h-n) NCM523-LFP循環後的TEM圖像。
對於NCM523-LFP具有優異電化學和安全性能的原因，作者從結構角度進行了一番解釋，核心之處在於表面包覆LFP能夠顯著抑制正極材料顆粒表面同電解液的副反應，抑制顆粒表面的相轉變過程。如圖7所示，純NCM523循環後顆粒表面約20 nm深度發生了相轉變，而NCM523-LFP循環後顆粒表面的相轉變則弱很多。
論文信息：
Lei Zhu, Ting-Fang Yan, Di Jia, Yong Wang, Qiang Wu, Hai-Tao Gu, Yong-Min Wu, Wei-Ping Tang. LiFePO4-Coated LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 Cathode Materials with Improved High Voltage Electrochemical Performance and Enhanced Safety for Lithium Ion Pouch Cells. Journal of The Electrochemical Society, 2019, 166 (3): A5437-A5444.
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