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三元鋰離子電池的NCM與NCA路線之爭

鉅大LARGE  |  點擊量:1384次  |  2020年07月28日  

我們在之前的文章中為大家介紹過三元鋰離子電池,并認為它會成為動力鋰電池尤其是乘用車領域的重要電池類型,相比與磷酸鐵鋰離子電池,它擁有更高的比能量和比功率,更符合乘用車的需求。在過去的2017年,我國的三元電池實現裝車15GWh,占比44.71%,雖然略低于磷酸鐵鋰離子電池,但隨著乘用車電動汽車的發力,我們可以預期它很快可以成為絕對第一。


不過,值得注意的是,我們國家的三元鋰離子電池重要是NCM電池,而并非特斯拉上所使用的NCA三元鋰離子電池,那么,這兩者之間到底有何不同,未來的發展又將如何,我們一起來簡單了解下。


首先,無論NCM還是NCA,都是指電池正極材料,NCM是指正極材料由鎳鈷錳三種材料由一定比例組合而成,而NCA的正極材料是由鎳鈷鋁構成,每個字母對應的都是相關元素的化學首字母。可以看到,兩種三元材料的前兩者是相同的,都是鎳和鈷,只有最后一個不同,前者為錳,后者為鋁。


一個基礎事實是,隨著鎳元素含量的升高,三元正極材料的比容量逐漸升高,電芯的能量密度也會隨之提高。因此,在NCM電池中,按照三者含量不同,NCM材料可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其中后面的數字代表的就是三者的比例。在對續航里程要求越來越高的需求下,電池的比能量要更高,再加上作為稀有金屬的鈷價格不斷上漲之下,高鎳體系的NCM811將成為未來重要的發展方向。


而NCA中鎳鈷鋁常見的配比為8:1.5:0.5,鋁的含量非常少,因此可以理解它接近二元材料,以Al(過渡金屬)代替錳,是將鎳鈷錳酸鋰通過離子摻雜和表面包覆進行改性,離子摻雜可以增強材料的穩定性,提高材料的循環性能。但是在制作過程中,由于Al為兩性金屬,不易沉淀,因此NCA材料制作工藝上存在門檻。


由于NCA材料的技術壁壘高,目前產量重要集中在日韓,我國量產較少。重要供應商有住友金屬(Sumitomo)、日本化學產業株式會社和戶田化學(Toda),韓國的Ecopro和GSEM也有少量產品銷售。其中,Toda重要供應日本AESC和韓國LGC,Sumitomo重要供應松下和PEVE,韓國的Ecopro對應客戶為SDI。


NCA電池在我國還未能大量生產,重要的難點在于:


一、高鎳材料荷電狀態下的熱穩定性較差,導致電池的安全性下降,使得電池生產公司和終端產品用戶對NCA電池的安全性心存顧慮,要從電芯設計、電源系統設計、電源使用等環節進行系統可靠的安全設計。


二、充放電過程存在嚴重的產氣,這會導致電池鼓脹變形,循環及擱置壽命下降,電池存在安全隱患,所以通常采用耐壓的圓柱電池殼制作NCA電池,降低了產氣量以控制電池鼓脹變形問題。


三、NCA要求在電池生產全過程均要控制濕度在10%以下,而其他材料目前只需注液工序對濕度進行嚴格控制。這對國內公司形成了很大的挑戰。


目前還沒有公開的數據,可以詳細比較NCA和NCM811的能量密度、安全性以及性價比,很難說孰優孰劣。不過,有專家指出,NCA和NCM811性能上比較接近,但在價格上NCM811略微便宜。而且,NCA體系電池也并非盡善盡美,假如要進一步提升能量密度,要在21700基礎上不斷地做大體積,而這會對電池安全管理提出更大的挑戰。基于這些原因,我國的NCA電池目前的產量比較小,也在情理之中,2017年NCA電池的裝車量只有區區286.5MWh。


不過,筆者查閱了特斯拉的相關資料發現,松下最近與特斯拉聯合推出21700的NCA電池,單體的能量密度接近300Wh/kg左右,比原來18650電池的250Wh/kg提高約10%以上,幾乎是世界上能量密度最高的量產鋰離子電池了。這個數字,遠遠高出國內使用率最高的NCM523電池單體200Wh/kg的能量密度水平,也明顯高出國內剛剛出現且最為領先的NCM811電池的能量密度水平,即單體最高250Wh/kg、系統最高200Wh/kg的水平。所以說,關于NCA電池,還是有必要研發,好在國內的電池公司大多數在此方面已經有所動作,只是看什么時候能夠突破技術壁壘,形成量產量力。


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