锂离子电池中的“三元高镍”是什么意思?

2021-04-06      6506 次浏览

2018年1-十月我国新能源汽车生产约80.3万辆,同比上升70%,乘用车市场上升迅猛,甚至超200%,但分化严重,真正受益的仅限于几家车企及排名靠前的几家动力锂电池公司。动力锂电池行业方面,GGII统计数据显示,2018年1-十月国内动力锂电池装机总电量约34.72GWh,同比上升97%。其中电池装机总电量排名前十的公司合计产量约30GWh,占整体的86%。有关前10的座次之争,宁德时代、比亚迪稳居前两位。虽然每个单月中位于第三位的排名均有变动,却也重要被国轩高科、孚能科技、力神等不超过5家电池公司占据,越往后公司排名的变动越大。而今年以来,锂离子电池提升能量密度的发展趋势无非两种:软包降低重量、三元正极提升能量密度


效率提升的主流路径:高镍三元


与芯片行业的制程发展高度类似,锂离子电池行业发展的目标是更轻便、能量密度更大,这个标准也是国家政策对新能源汽车行业的要求。从财政部补跌的变化可以看出,关于新能源汽车,监管层最大的目标是,力促动力锂电池能量密度升级:


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与传统电池不同,锂电动力锂电池拥有一个庞大的正极、较小的负极、和较少的电解液,正极成本达到动力锂电池整体成本的40%左右。从目前技术来看,锂离子电池能量密度升级的重要攻关方向,一个是降低封装外壳的重量(软包),二个就是提升正极所能携带的能量密度。


三元锂电里的三元,纯粹指代正极技术,意思是,正极材料是由三种金属制成的。上一代动力锂电池我们叫磷酸铁锂,是因为正极材料是磷酸铁锂制成的,磷酸铁锂虽然安全,但能量密度无法提升到160Wh/kg以上。


三元正极有两个方向。一个叫NCM,N=镍、C=钴、M=锰,后面往往带数字,例如NCM523是当前主流,意思是三种元素的配比是5:2:3;另一种技术叫NCA,A=铝,NCA电池的配比相对固定在8:1.5:0.5。


那么什么叫高镍三元?NCM电池三种元素中,随着镍元素占比升高,三元正极材料的比容量逐渐升高,电芯的能量密度也会随之提高。但是,随着镍元素的升高,NCM电池内的锰元素较难稳定更多的镍,导致体系能量密度稍低,所以续航表现不如NCA电池。


那么为何国内厂商不生产NCA电池?因为技术达不到。NCA电池铝的含量非常少,因此可以理解它接近二元材料,以Al代替锰,是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性,离子掺杂可以增强材料的稳定性,提高材料的循环性能。但是镍钴铝电池对制作工艺要求较高,因为,Al为两性金属(可以同时与酸和碱发生化学反应),不易沉淀,因此NCA材料在较高温度的情况下,会发生热失控,从而引发危险。


NCA技术重要集中在日韩厂商(LG、松下)手中,我国公司技术重要差在两点。一是,制程方面,NCA要求在电池生产全过程均要控制湿度在10%以下,这对国内公司形成了很大的挑战;二是NCA目前必须采用耐压的圆柱电池壳,这不是国内厂商电池包装技术发展的方向。


NCA技术和NCM技术差距多大?


2018年初,特斯拉CEO马斯克表示,特斯拉在NCA电池技术方面获突破性进展,能量密度再提升30%,并且生产成本大幅下降,特斯拉车型的续航里程可达到640km以上;六月时特斯拉强调,再次在电池技术方面获突破性进展,能量密度再提升30%,预计达到330Wh/kg水平。


国产电池当前量产的较高水平来自宁德时代,其NCM622技术在第11批推荐目录中达到了170Wh/kg水平。从目前国内技术来看,接下来NCM811装车,有望达到210Wh/kg水平。


但是,鉴于NCA暂时无法用软包技术封装,随着软包技术的发展和推广,国产动力锂电池在2019年仍有加速跟上的希望。LG化学CFO在接受采访时表示,将批量生产NCM811正极材料的电池用于电动公交车,软包电池仍是NCM622型应用于大多数新能源汽车。


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