隨著新能源汽車的快速發(fā)展，越來越多的電動汽車開始進(jìn)入到普通消費(fèi)者的生活之中，關(guān)于電動汽車人們擔(dān)心的重要有兩點(diǎn)：1）續(xù)航里程，這重要和鋰離子電池的能量密度有關(guān)；2）使用壽命，這重要和鋰離子電池的循環(huán)壽命有關(guān)。近年來隨著電動汽車的續(xù)航里程的不斷提升，動力鋰電池的能量密度也在持續(xù)升高，然而高能量密度帶來的一個(gè)負(fù)面影響就是循環(huán)壽命的下降，這似乎是動力鋰電池無法逃脫的一個(gè)宿命，然而近年來開始出現(xiàn)的單晶材料似乎為高能量密度鋰離子電池的長壽命之路點(diǎn)亮了一盞指路明燈。

2017年加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的JingLi（第一作者）和J.R.Dahn（通訊作者）對單晶NCM523和多晶NCM523材料在軟包鋰電池中性能表現(xiàn)進(jìn)行了深入的研究和分析，研究表明單晶NCM523材料更適合應(yīng)用應(yīng)用在對循環(huán)壽命要求比較高的領(lǐng)域。

多晶NCM523材料雖然二次顆粒的直徑可達(dá)10um以上，但是實(shí)際上其一次顆粒的尺寸僅為200-400nm，而單晶NCM523材料的單個(gè)顆粒直徑為2-3um左右（如上圖所示），要遠(yuǎn)大于多晶NCM523一次晶體顆粒的尺寸。

下圖為單晶NCM523材料顆粒的掃描電鏡圖片，從圖中能夠看到單晶NCM523材料中少數(shù)的較大顆粒是由多個(gè)晶體顆粒組成，大部分的顆粒還是由單一晶體構(gòu)成。

下圖展示單晶NCM523（SC-523）和多晶NCM523（UC-523），以及Al2O3包覆NCM523（AC-523）三種材料在扣式半電池中在3-4.5V、3-4.4V和3-4.3V電壓范圍內(nèi)的充放電曲線，電流密度為10mA/g（C/20），測試溫度為30℃。下表為三種材料在4.3V、4.4V和4.5V截止電壓下的比容量數(shù)據(jù)，從下圖中可以看到AC-523材料的可逆容量在各個(gè)電壓下都是最高的，分別可以達(dá)到174.6mAh/g、188.1mAh/g和199.2mAh/g，而單晶NCM523材料的比容量分別為165.6、179.2和189.9mAh/g，是三種材料中最低的。

下圖為三種材料和石墨負(fù)極制作的軟包鋰電池的庫倫效率隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢，測試條件為3-4.4V，溫度為40℃，分別采用了不同的電解液添加劑，從下圖中能夠看到無論是在哪種電解液中采用單晶NCM523的電池的庫倫效率都要明顯好于多晶NCM523材料，這也表明單晶材料的界面穩(wěn)定性更好，能夠減少副反應(yīng)的發(fā)生。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證單晶NCM523和Al2O3表面包覆NCM523材料的界面穩(wěn)定性，作者采用pES211電解液，石墨負(fù)極制作軟包鋰電池，分別在4.4V、4.5V和4.6V和40℃下分別浮充100h，從下圖能夠看到單晶NCM523材料在整個(gè)浮充過程中產(chǎn)氣體積非常少，分別為0.01、0.01和0.04mL，而多晶NCM523材料盡管表面包覆了Al2O3，但是其產(chǎn)氣的體積仍然高達(dá)0.07、0.27和0.62ml，該實(shí)驗(yàn)表明單晶NCM523材料能夠很好的抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而減少高電壓下的產(chǎn)氣。

下圖為三種材料在不同SoC狀態(tài)下進(jìn)行加熱時(shí)釋放O2量的測試結(jié)果，從下圖d-f能夠看到多晶NCM523材料在80℃附近還有一個(gè)小的釋放O2的峰，特別是在高SoC狀態(tài)下這一峰變的更為明顯，而單晶NCM523材料在這一溫度下并沒有出現(xiàn)釋放O2的峰。從下圖a-c能夠看到三種材料在200-350℃的范圍內(nèi)也有一個(gè)釋放O2的峰，隨著SoC的提高，該峰的強(qiáng)度也出現(xiàn)了明顯的升高，雖然三種材料在這一范圍內(nèi)都出現(xiàn)了O2釋放峰，但是單晶材料峰值溫度是最高的，這也再一次表明單晶NCM523材料在熱穩(wěn)定性上要比常規(guī)的多晶NCM523更加優(yōu)異。

下圖為單晶NCM523和多晶NCM523和石墨制備的軟包鋰電池采用不同電解液在40和55℃下的循環(huán)性能（C/2，3-4.4V）比較，從下圖能夠看到無論是在40℃，還是在55℃下，單晶NCM523材料的循環(huán)性能都要明顯優(yōu)于Al2O3包覆的NCM523材料，例如在40℃下采用Q2FEC和pES211電解液的單晶NCM523電池在經(jīng)過300次循環(huán)后，容量保持率仍然可達(dá)98%，而Al2O3包覆的NCM523材料的電池在采用同樣電解液的情況下，循環(huán)300次后容量保持率僅為92%，在55℃下這一差距更加明顯，采用pES211、Q5FEC和1BFC電解液的單晶NCM523材料電池循環(huán)300次后容量保持率可達(dá)94%以上，而Al2O3包覆的NCM523材料電池的容量保持率還不到85%。

總的來看，單晶NCM523材料在比容量上要低于多晶NCM523材料，但是在產(chǎn)氣、熱穩(wěn)定性，特別是在循環(huán)性能上單晶NCM523材料都要明顯的優(yōu)于多晶NCM523材料，因此單晶NCM523材料更適合應(yīng)用在一些對倍率性能要求不高，但是關(guān)于循環(huán)性能有較高要求的領(lǐng)域。