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鋰離子電池中的“三元高鎳”是什么意思?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:6689次  |  2021年04月06日  

2018年1-十月我國(guó)新能源汽車生產(chǎn)約80.3萬(wàn)輛,同比上升70%,乘用車市場(chǎng)上升迅猛,甚至超200%,但分化嚴(yán)重,真正受益的僅限于幾家車企及排名靠前的幾家動(dòng)力鋰電池公司。動(dòng)力鋰電池行業(yè)方面,GGII統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2018年1-十月國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電池裝機(jī)總電量約34.72GWh,同比上升97%。其中電池裝機(jī)總電量排名前十的公司合計(jì)產(chǎn)量約30GWh,占整體的86%。有關(guān)前10的座次之爭(zhēng),寧德時(shí)代、比亞迪穩(wěn)居前兩位。雖然每個(gè)單月中位于第三位的排名均有變動(dòng),卻也重要被國(guó)軒高科、孚能科技、力神等不超過(guò)5家電池公司占據(jù),越往后公司排名的變動(dòng)越大。而今年以來(lái),鋰離子電池提升能量密度的發(fā)展趨勢(shì)無(wú)非兩種:軟包降低重量、三元正極提升能量密度


效率提升的主流路徑:高鎳三元


與芯片行業(yè)的制程發(fā)展高度類似,鋰離子電池行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)是更輕便、能量密度更大,這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也是國(guó)家政策對(duì)新能源汽車行業(yè)的要求。從財(cái)政部補(bǔ)跌的變化可以看出,關(guān)于新能源汽車,監(jiān)管層最大的目標(biāo)是,力促動(dòng)力鋰電池能量密度升級(jí):


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與傳統(tǒng)電池不同,鋰電動(dòng)力鋰電池?fù)碛幸粋€(gè)龐大的正極、較小的負(fù)極、和較少的電解液,正極成本達(dá)到動(dòng)力鋰電池整體成本的40%左右。從目前技術(shù)來(lái)看,鋰離子電池能量密度升級(jí)的重要攻關(guān)方向,一個(gè)是降低封裝外殼的重量(軟包),二個(gè)就是提升正極所能攜帶的能量密度。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

三元鋰電里的三元,純粹指代正極技術(shù),意思是,正極材料是由三種金屬制成的。上一代動(dòng)力鋰電池我們叫磷酸鐵鋰,是因?yàn)檎龢O材料是磷酸鐵鋰制成的,磷酸鐵鋰雖然安全,但能量密度無(wú)法提升到160Wh/kg以上。


三元正極有兩個(gè)方向。一個(gè)叫NCM,N=鎳、C=鈷、M=錳,后面往往帶數(shù)字,例如NCM523是當(dāng)前主流,意思是三種元素的配比是5:2:3;另一種技術(shù)叫NCA,A=鋁,NCA電池的配比相對(duì)固定在8:1.5:0.5。


那么什么叫高鎳三元?NCM電池三種元素中,隨著鎳元素占比升高,三元正極材料的比容量逐漸升高,電芯的能量密度也會(huì)隨之提高。但是,隨著鎳元素的升高,NCM電池內(nèi)的錳元素較難穩(wěn)定更多的鎳,導(dǎo)致體系能量密度稍低,所以續(xù)航表現(xiàn)不如NCA電池。


那么為何國(guó)內(nèi)廠商不生產(chǎn)NCA電池?因?yàn)榧夹g(shù)達(dá)不到。NCA電池鋁的含量非常少,因此可以理解它接近二元材料,以Al代替錳,是將鎳鈷錳酸鋰通過(guò)離子摻雜和表面包覆進(jìn)行改性,離子摻雜可以增強(qiáng)材料的穩(wěn)定性,提高材料的循環(huán)性能。但是鎳鈷鋁電池對(duì)制作工藝要求較高,因?yàn)?,Al為兩性金屬(可以同時(shí)與酸和堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)),不易沉淀,因此NCA材料在較高溫度的情況下,會(huì)發(fā)生熱失控,從而引發(fā)危險(xiǎn)。


NCA技術(shù)重要集中在日韓廠商(LG、松下)手中,我國(guó)公司技術(shù)重要差在兩點(diǎn)。一是,制程方面,NCA要求在電池生產(chǎn)全過(guò)程均要控制濕度在10%以下,這對(duì)國(guó)內(nèi)公司形成了很大的挑戰(zhàn);二是NCA目前必須采用耐壓的圓柱電池殼,這不是國(guó)內(nèi)廠商電池包裝技術(shù)發(fā)展的方向。

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應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

NCA技術(shù)和NCM技術(shù)差距多大?


2018年初,特斯拉CEO馬斯克表示,特斯拉在NCA電池技術(shù)方面獲突破性進(jìn)展,能量密度再提升30%,并且生產(chǎn)成本大幅下降,特斯拉車型的續(xù)航里程可達(dá)到640km以上;六月時(shí)特斯拉強(qiáng)調(diào),再次在電池技術(shù)方面獲突破性進(jìn)展,能量密度再提升30%,預(yù)計(jì)達(dá)到330Wh/kg水平。


國(guó)產(chǎn)電池當(dāng)前量產(chǎn)的較高水平來(lái)自寧德時(shí)代,其NCM622技術(shù)在第11批推薦目錄中達(dá)到了170Wh/kg水平。從目前國(guó)內(nèi)技術(shù)來(lái)看,接下來(lái)NCM811裝車,有望達(dá)到210Wh/kg水平。


但是,鑒于NCA暫時(shí)無(wú)法用軟包技術(shù)封裝,隨著軟包技術(shù)的發(fā)展和推廣,國(guó)產(chǎn)動(dòng)力鋰電池在2019年仍有加速跟上的希望。LG化學(xué)CFO在接受采訪時(shí)表示,將批量生產(chǎn)NCM811正極材料的電池用于電動(dòng)公交車,軟包電池仍是NCM622型應(yīng)用于大多數(shù)新能源汽車。


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