通过在乙酸中混合氢氧化物沉淀物制备单晶NMC532，用于制造稳定且具有高放电率的锂离子电池

《Next Materials》：Single crystal NMC532 from mixed hydroxide precipitate in acetic acid for stable and high discharge rate lithium-ion battery

使用混合氢氧化物沉淀物（MHP）作为镍源，醋酸作为绿色溶剂，本研究成功制备了具有优异结构和电化学性能的单晶NMC532正极材料。材料经XRD、SEM和FTIR表征显示R-3m六方晶结构，平均粒径约2微米，阳离子混排度低（I???/I??? >1.9）。在18650全电池测试中，其比容量达118 mAh/g，3 C倍率性能稳定，200次循环后容量保持率82.7%，且在3 C高倍率充放电下容量保持率82.4%。该工艺以MHP替代传统镍硫酸盐原料，显著降低生产成本（成本系数0.75），同时醋酸作为可回收溶剂避免了硫酸的环境污染问题，为可持续锂电材料开发提供了新路径。

　　### 解读：利用混合氢氧化物沉淀物和醋酸合成高性能单晶NMC正极材料的研究

随着新能源技术的快速发展，锂离子电池在电动汽车、消费电子产品和可再生能源系统中扮演着至关重要的角色。这种电池技术的普及不仅推动了对高性能材料的需求，也促使研究人员探索更环保、成本更低的材料合成方法。其中，锂镍锰钴氧化物（NMC）作为一种广泛应用的正极材料，因其高比容量、良好的安全性和成本效益而备受关注。NMC材料的性能在很大程度上依赖于其晶体结构和化学组成，而单晶NMC因其优异的结构稳定性和长循环寿命，被认为是一种极具潜力的材料选择。

本研究旨在探索一种可持续的方法，通过使用混合氢氧化物沉淀物（MHP）作为镍源，并采用醋酸作为浸出剂，来合成单晶NMC532正极材料。MHP是一种在湿法冶金过程中产生的中间产物，通常来源于镍矿的回收过程。相比传统的硫酸镍（NiSO?）作为镍源，MHP的原料成本较低，其价格系数约为0.7–0.75，且其成分中已包含钴（Co）和锰（Mn），这进一步降低了对额外钴和锰源的需求。因此，MHP不仅在经济上具有优势，而且有助于减少对稀有金属的依赖，从而推动绿色电池制造的发展。

在合成过程中，首先需要通过浸出过程将MHP中的镍溶解出来。实验采用醋酸作为浸出剂，以替代常用的硫酸。醋酸作为一种有机酸，不仅具备良好的溶解能力，而且具有可回收性、低成本以及足够的浸出效率，使其成为一种更环保的替代选择。浸出后的溶液通过共沉淀法合成NMC532前驱体材料，其中使用了草酸作为螯合剂。这种方法的优势在于其能够提供更均匀的阳离子分布和更精细的颗粒控制，同时在煅烧过程中释放二氧化碳和水蒸气，避免了碱性残留，从而减少了对环境的污染。此外，使用弱酸进行浸出可以降低中和过程的需求，减少废物产生，提高整体工艺的环境友好性。

为了进一步提升材料的性能，前驱体材料在后续步骤中与过量的碳酸锂（Li?CO?）混合，并在500°C下煅烧5小时，随后在950°C下烧结20小时。这些步骤旨在优化材料的晶体结构和电化学性能。最终获得的活性材料通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段进行了表征，以评估其晶体结构、形貌和化学组成。结果显示，NMC532材料具有良好的层状结构（R-3m），较低的阳离子混合程度（I???/I??? > 1.9），以及均匀的单晶形态，平均粒径约为2微米。这些特性使得材料在电化学性能方面表现出色，例如在全电池测试中，其比容量达到118 mAh.g?1，能够在3C的高倍率下保持良好的速率性能，并在200次循环后保持82.7%的容量保持率。

进一步的电化学测试表明，NMC532材料在全电池配置下具有优异的性能。通过循环伏安法（CV）测试，可以观察到锂离子的可逆插层和脱插层过程，其中醋酸溶解的NMC532材料（NMC532-A）表现出更小的氧化还原峰电位差，表明其具有更高的电化学可逆性。而通过电化学阻抗谱（EIS）测试，发现NMC532-A的电荷转移电阻较低，这说明其在电解液中的离子和电子传导性能优于其他样品。这些结果表明，使用醋酸作为镍源的溶解剂可以显著提升NMC材料的性能。

此外，研究还探讨了不同MHP与醋酸的摩尔比例对材料性能的影响。实验发现，当MHP与醋酸的摩尔比为1:2时，能够获得最佳的材料性能。这一比例不仅确保了MHP的完全溶解，还避免了因过量酸而导致的额外中和步骤，从而降低了生产成本和环境负担。然而，某些比例下仍存在微量的镁（Mg）杂质，这可能来源于原始MHP材料中的杂质成分。尽管如此，这些杂质并未显著影响材料的电化学性能，反而在某些情况下可能对电池性能产生积极影响。例如，Mg掺杂的正极材料已被证明能够提高电池的容量保持率和循环稳定性。

本研究的成果不仅验证了MHP作为镍源的可行性，还展示了醋酸作为浸出剂的优势。相较于传统工艺，这种新方法在成本和环保性方面具有显著优势，同时能够合成出具有优异性能的单晶NMC材料。这些材料在全电池测试中表现出良好的比容量、速率性能和循环稳定性，为未来大规模生产高性能锂离子电池提供了新的思路。此外，单晶结构的材料在高电流密度下展现出更稳定的电化学行为，这使得其在快速充放电场景下具有应用潜力。

总的来说，本研究通过创新的材料合成方法，成功实现了高性能单晶NMC正极材料的绿色制备。这种材料不仅具备优异的电化学性能，还符合可持续发展的要求。未来的研究可以进一步优化材料的粒径分布，以提升其在不同应用场景下的性能表现。同时，探索更高效的浸出和煅烧工艺，以及对材料中微量杂质的控制，也将有助于提高其整体性能和商业化潜力。