三元聚合物鋰電池（Ternary polymerlithiumbattery），簡稱三元電池，是一種正極使用鋰鎳[niè]鈷錳或者鎳鈷鋁酸鋰的三元材料的鋰電池。三元材料中鎳、鈷、錳（或鋁）的比例可根據實際需求調整，相較于鈷酸鋰電池，其安全性更高但電壓略低。
1970年，埃克森公司的M.S.Whittingham制成首個鋰電池，1992年索尼成功開發出商用鋰離子電池。隨后，在1997年-2000年間，鎳鈷錳、鎳鈷鋁等三元材料的鋰電池陸續面世，但卻在很長一段時間內均在市占率上遜色于磷酸鐵鋰電池。不過，隨著特斯拉在2013年一季度盈利，以及中國在2012年10月16日和2016年等時間節點公布了利好三元鋰電池的通知或政策，使得三元鋰電池的發展和應用得到了明顯促進；而且，在2018年，三元鋰電池整體裝機量還首次超越了磷酸鐵鋰電池。
三元聚合物鋰電池主要由外殼、隔膜、電解質、正極材料、負極材料等部分構成，其工作原理是：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，此時負極處于富鋰狀態，而放電時，則相反。該種電池有堿溶液解法、有機溶劑溶解法、高溫熱解法等回收方法，其中高溫熱解法是較合適的分離回收方法。該電池的優點在于能量密度高、成本相對較低、循環性能優異，主要應用于動力電池、電力系統等領域，是現階段量產的正極材料中潛力較大，并具發展前景的一種電池。其實際循環壽命通常為500-1000次，部分性能較優的產品可達1200次以上；采用淺充淺放（電量保持在20%-80%）等使用方式時，循環次數可延長至1000次以上。
發展歷史
1970年，埃克森公司的M.S.Whittingham采用硫化鈦作為電池的正極材料，金屬鋰作為電池的負極材料，制成首個鋰電池。1997年，磷酸鐵鋰材料問世，磷酸鐵鋰電池的特點是安全性強、成本低，但是能量密度也低。三元鋰電池材料問世的時間與磷酸鐵鋰材料大致相同，在1997年-2000年間，鎳鈷錳、鎳鈷鋁等三元材料陸續面世。
2004年，鋰電池引入中國，磷酸鐵鋰一直是中國動力電池的主流路線，錳酸鋰和三元材料使用者寥寥可數。。2007年，中國新能源領域巨頭比亞迪發布了旗下最新的磷酸鐵鋰電池，正式宣布進軍新能源汽車領域。在此后數年的時間里，以比亞迪為首的磷酸鐵鋰電池都主導著中國的新能源汽車市場。隨著新能源汽車轉型的風口迅速擴大，電動汽車的覆蓋范圍已經從對安全性要求較高，但是對續航能力要求不高的商用車領域擴大到了乘用車領域，磷酸鐵鋰電池能量密度低的弊端就開始顯露出來。
2013年，特斯拉在一季度的盈利，放大了三元材料的優勢。在2014年北京國際汽車展覽會上，江淮、奇瑞、北汽集團、眾泰等廠家都表示，在最新的車型中將采用三元材料。2016年，中國首次將電池系統能量密度納入了新能源汽車補貼標準當中。至此，高能量密度、長續航里程就成為了新能源車企獲取國家補貼的重點考核項目，而在能量密度方面有先天優勢的三元鋰電池市占率正是在這一年當中得到較快發展。2018年，三元鋰電池整體裝機量首次超越了磷酸鐵鋰電池，而寧德時代也完成了對中國新能源領域巨頭比亞迪的逆襲挑戰，它憑借著旗下的三元鋰電池占據了動力電池領域的半壁江山。
基本結構
三元聚合物鋰電池的組成主要包括外殼、隔膜、電解質、正極材料和負極材料等部分。
工作原理
三元聚合物鋰電池與其它類型鋰離子電池相比，最主要區別為正極材料不同，三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池，其中鈷主要作用為減少陽離子混合占位，穩定層狀結構；鎳主要作用為提高材料的容量；錳主要作用為降低材料成本，提高安全性和穩定性。
三元聚合物鋰電池用兩種能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。正極采用LiMO2，負極采用鋰-碳層間化合物LiXC6。電解質為溶解有鋰鹽LiPF6、LiAsF6等的有機溶液。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌。充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態。放電時則相反。
電化學反應原理
正極反應：
負極反應：
電池總反應：
參考資料：
回收方法
受三元聚合物鋰電池復雜結構的影響，以及對提高資源回收利用率的期望，現代工藝常采用預處理對三元聚合物鋰電池正極材料進行有效分離。從正極材料中分離出活性物質，是濕法回收處理過程的核心重點，較合適的處理工藝有3種，即堿液溶解法、有機溶劑溶解法和高溫分解法。
堿液溶解法
在堿浸過程中，LIBs鋁箔與堿液反應生成NaAlO2，而正極材料不發生反應，從而實現集流體鋁箔的去除和電極材料的富集。主要反應如下：
（1）
（2）
堿液溶解法的優點是操作簡單，分離效率較高，可推廣至大規模工業化生產。缺點是易產生氫氣，會腐蝕設備，對后續的浸出過程有不良影響，且對人體健康有損害，需額外采取防護措施。
有機溶劑溶解法
依據相似相溶原理，廢舊三元聚合物鋰電池中的粘結劑聚偏二氟乙烯(PVDF)可被有極性的有機溶液溶解，從而實現正極活性物質與鋁箔的分離。市面上廣泛采用N-甲基吡咯烷酮(NMP)作為調漿劑用于溶解PVDF。
有機溶劑溶解法的優點是效果好、時間短、不破壞鋁箔；有機溶劑可回收并進行二次利用；能高效分離活性物質與鋁箔。缺點是NMP的價格昂貴，毒性較大；有機溶劑無法完全溶解PVDF，且不適用于分離所有類型的黏接劑；對生態環境有潛在危害，不符合綠色生產理念。
高溫熱解法
高溫熱解分離主要依據正極活性材料(約在600℃)、鋁箔(660℃)、粘結劑(350～400℃)的分解溫度的差異，利用黏結劑在高溫條件下會分解失效的特性，實現正極材料活性物質的分離；高溫熱解法的優點是操作簡便，可避免鋁的干擾，目標產物純凈；可有效去除粘結劑與石墨，避免有害氣體的產生。缺點是易產生有害氣體HF，需要額外配套煙氣凈化裝置；高溫下鋁箔可能發生不良反應，影響鈷、鋰等有價金屬的浸出效果。
高溫熱解法是較合適的電極材料與集流體的分離方法，但此法存在有害氣體的釋放問題。為解決上述問題，已有學者在研究過程中加入固劑(CaO)，以吸收熱解過程中可能產生的HF，避免二次污染的發生。
主要特點
優點
能量密度高
與磷酸鐵鋰材料相比，三元材料的放電比容量和平均電壓均更高，因此三元電池的質量比能量通常高于磷酸鐵鋰電池。具體來看，三元鋰電池的能量密度因具體型號和技術路線不同存在顯著差異：例如寧德時代NCM523電池能量密度為230-250Wh/kg（應用于主流中端車型），NCM811電池可達280-300Wh/kg（應用于寶馬iX3等高端車型）；杜馬雷Revolution電池采用高鎳三元+硅碳負極技術，能量密度提升至280Wh/kg（適配商用車場景）。此外，由于磷酸鐵鋰材料的真密度偏低、顆粒較小和碳包覆等原因，其極片壓實密度約為2.3～2.4 g/cm3，而三元極片的壓實密度可以達到3.3～3.5 g/cm3，因此三元材料及電池的體積比能量也遠高于磷酸鐵鋰。
功率性能好
磷酸鐵鋰材料Li+的活化能只有0.3～0.5 eV，導致其Li+擴散系數在10－15～10－12cm2/s數量級。極低的電子電導率和鋰離子擴散系數導致了LFP功率性能不佳。而三元材料的Li+擴散系數約為10－12～10－10cm2/s，并且電子電導率高，因此三元電池具有更好的功率性能。
溫度適用性高
受磷酸鐵鋰材料較低的電子電導率與離子電導率的影響，導致磷酸鐵鋰電池低溫性能較差。磷酸鐵鋰電池－20℃放電與常溫相比，容量保持率僅為60%左右，而同體系的三元電池可達到70%以上。
缺點
安全性低
從安全性角度分析，磷酸鐵鋰材料的晶體結構以PO4四面體為主體，其PO4鍵能顯著高于三元材料MO6八面體的M-O鍵能。滿電狀態下，磷酸鐵鋰材料的熱分解溫度約為700℃，而三元材料的熱分解溫度通常在200～300℃范圍內。因此，磷酸鐵鋰材料在熱穩定性方面表現更優。此外，當荷電狀態（SOC）較高時，三元鋰電池的熱失控風險相對更高，反應劇烈程度也更為明顯。從電池角度來對比，磷酸鐵鋰電池可以通過全部的安全測試，而三元電池的針刺和過充等測試并不能輕易通過，需要從結構件及電池設計端等進行改進。
成本高
三元材料含有Ni、Co等稀缺金屬，其成本較磷酸鐵鋰高。隨著材料及電池技術水平的提升，三元及磷酸鐵鋰電池的成本都大幅下降，目前三元電池市場售價約1.1元/Wh，而磷酸鐵鋰電池相對便宜，約0.9元/Wh。
環境污染大
磷酸鐵鋰電池含有Fe、P元素，對環境影響小；三元材料及電池中的Ni、Co元素對環境污染較大。
化學性能差
由于Li和Ni相似的半徑，過多的Ni也會因為與Li發生位錯現象導致鋰鎳混排，鋰層中鎳離子濃度越大，鋰在層狀結構中的脫嵌越難，導致電化學性能變差。
平均電壓低
三元聚合物鋰電池的平均電壓略低，克容量略高一點但壓實比低一點，同型號的電池容量略低于鈷酸鋰電池；此外，過高的Mn含量會容易出現尖晶石相而破壞電池的層狀結構，使容量降低，循環使用次數衰減。
應用領域
動力電池
2019年上半年中國的動力電池總裝機量30.14 GWh，其中三元電池的裝車量21.35 GWh，占總裝車量71.14%。三元電池所占比例較高，其主要原因受政策和市場兩方面影響。三元聚合物鋰電池與磷酸鐵鋰材料相比，其放電比容量較高，且平均電壓也更高，且安全性較高，因此該電池在動力電池領域所占比例越來越高。
電力系統
現階段電力系統儲能應用較多的依然為三元電池，這與特斯拉、三星電子、LG等鋰電企業的產品方向有關。三元聚合物鋰電池其安全性較好而被用于電力系統，其轉化為穩定的電力輸出，是偏遠地區電力供應較優的方式，在電網系統中儲能系統還具有填谷削峰的作用。不過當前三元儲能市場較小，其安全性能有待商。
發展趨勢
技術發展
電壓平臺的提高
同等條件下(同等的體積、質量與容量的電池)，三元鋰電池的電壓平臺越高，則三元材料鋰電池的續航時間就會越長，所以可以去優化這一重要參數。要提高三元鋰電池放電平臺電壓，可以從提高電子供給能力和鋰離子擴散能力方面著手，并且還需要在兩者之間找到平衡。但是實施起來還是很有難度的，目前最大的突破口應該在于新材料的應用，最新的進展是在石墨烯材料的應用上。
動力性能的提升
電池的動力性能是非常重要的評價指標，它受電解液材質、隔膜厚度，活性顆粒的直徑、活性材料的類型等諸多因素的影響，與電池的設計密切相關。有相關研究表明，可以通過顆粒包覆和改性等方法，從而提升鋰電池的動力性能。
持續提升安全性能
安全性能作為三元鋰電池的主要短板，成為限制其大規模配組與集成應用的一個重要因素。目前的測試結果，較大容量的三元鋰電池通過針刺和過充等測試的概率很低，主流解決方案就是引入錳元素，甚至混合錳酸鋰共同使用。相信在未來，還會進一步提升其安全性。
企業發展
企業在針對于三元正極材料的研究過程當中可以著重與技術升級和完善上，通過技術的升級和完善來減少對于相關資源的利用率，通過資源的節約來降低生產成本，同時通過生產技術的完善和升級，也可以更好地提高產品的競爭力，提高三元正極材料所制定的鋰離子鋰電池的綜合性能，以此來不斷地拓寬受眾范圍，讓更多的受眾發現和認可三元正極材料制定的鋰離子電池。
針對于企業產品質量、效率、性能三方面的提升，企業可以從生產的技術入手，不斷地優化單進行的鎳鈷錳三元正極材料到生產和使用，提高鎳鈷錳三元正極材料的密度和容量。進而形成自身的市場競爭力，建立市場競爭優勢，打開市場份額，其次企業應當加強對于鎳鈷錳三元正極材料鋰離子電池安全性的研究，減少分化、裂化的問題出現，以此來保障生產的安全性和使用的安全性，最后需要降低相對應的產品生產成本。據相關統計我們可以發現，在新能源汽車生產的過程當中，電池所占的成本在所有成本當中占據著40%，而對于電池的研究和生產成本有30%左右集中于正極材料。為此企業可以通過不斷地研究完善和升級來減少正極材料生產的成本以此來拓寬企業的盈利空間，實現企業的可持續發展。
參考資料 >
三元鋰電池概念.云財經.2024-03-31
鋰電池前世今生:三元鋰/磷酸鐵鋰糾紛始末.鋰電網.2024-04-11
原材料之爭，是動力電池廠商的終局之戰.騰訊網.2024-04-26