鉅大LARGE | 點擊量：541次 | 2021年08月23日
政策和市場催生三元材料高鎳化 動力鋰離子電池進入高能量密度時代
磷酸鐵鋰離子電池的理論能量密度惟有180Wh/kg，三元材料電池因此擔起了攻堅重任。而三元材料體系繁多，哪種才是正確路線?經過多家公司不斷摸索，大家仿佛達成共識，高鎳體系的三元材料電池是今后的發(fā)展方向。
日前，工信部公布了2018年第6批《新能源汽車推廣使用推薦車型目錄》(簡稱《推薦目錄》)。按照新能源汽車補貼新政要求，自六月十二日起，從今年第5批開始，進入《推薦目錄》的新車型才能享受補貼。第5批、第6批《推薦目錄》對汽車的電池能量密度、續(xù)駛里程等方面提出胃更高要求。
事實上，此前出臺的《促使汽車動力鋰離子電池產業(yè)發(fā)展行動辦法》已明確我國動力鋰離子電池目標，到2020年，鋰離子動力鋰離子電池單體比能量大于300Wh/kg;系統(tǒng)比能量爭取達到260Wh/kg;成本小于1元/Wh;使用環(huán)境從零下30℃到55℃;具備3C充電能力，力爭實現(xiàn)單體電池350Wh/kg。
磷酸鐵鋰離子電池的理論能量密度惟有180Wh/kg，三元材料電池因此擔起了攻堅重任。而三元材料體系繁多，哪種才是正確路線?經過多家公司不斷摸索，大家仿佛達成共識，高鎳體系的三元材料電池是今后的發(fā)展方向。
高鎳三元材料成為主流
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
經濟學家經常用供給與需求兩條曲線分解市場，兩者的交織就是平衡點。動力鋰離子電池公司也使用這個原理分解產品發(fā)展趨勢。
寧德時代新能源科技有限公司副總裁、首席科學家吳凱展示了動力鋰離子電池能量密度與成本之間的關系。隨著規(guī)模張大、技術進步，成本曲線向下傾斜;克服“里程焦慮癥”的方法惟有提升能量密度，這也是我國政府和行業(yè)鼓勵的方向。向上的能量密度曲線與成本曲線形成交織點，動力鋰離子電池公司圍繞于此做文章。
吳凱說：“公司對電池的設計都是從成本與能量密度的平衡著眼。在平衡點之下，三元材料占有優(yōu)點;在平衡點之上，硅基負極體系和固態(tài)電池占有優(yōu)點。在固態(tài)電池還不能商業(yè)化的背景下，三元材料體系成為主攻目標?！?/p>
近期，在多個產業(yè)發(fā)展論壇上，公司和科研機構的專家均談到，磷酸鐵鋰離子電池受到自身材料性能的限制，以目前的技術水平難以在2020年達到國家規(guī)定的能量密度要求，而三元材料中的NCM111和NCM523等類型電池也是如此。
據(jù)專家解析，目前主流的NCM523電池，能量密度可以達到160～200Wh/kg，與300Wh/kg有較大距離?？蒲腥藛T提高三元體系中鎳的含量，電池的能量密度顯著提高，NCM622和NCM811分別達到230Wh/kg和280Wh/kg。為了達到300Wh/kg的目標，高鎳三元材料成為必然的選擇。
數(shù)據(jù)顯示，2018年一季度，國內三元材料產量31670噸，同比上升64.26%。其中，常規(guī)NCM型號占比78%，NCM622型號占比14%，NCM811/NCA占比8%，NCM811產量大幅上升。
目前，高鎳三元材料有兩種路線，分別是NCM(鎳鈷錳)和NCA(鎳鈷鋁)。在高鎳三元材料中，鎳的緊要用途是供應容量，其含量越高，電池的能量密度越大;鈷元素在貢獻一部分容量的同時起到穩(wěn)定結構的用途;錳/鋁緊要用來穩(wěn)定三元體系結構。
公司憑技術積累走在前列
比克是國內較早從事三元電池研發(fā)與加工的公司，自2006年至今積累了豐富的相關相關經驗。目前，比克已實現(xiàn)NCM811動力鋰離子電池的批量供貨。
比克加工的三元電池全部為圓柱電池，目前緊要供應18650-2.75Ah電芯產品。記者在比克電池廠看到過配裝18650-2.75Ah電芯的零跑LP-S01電動汽車。據(jù)解析，其整包電量36kWh，最大續(xù)駛里程360km，NEDC工況下續(xù)駛里程250km，在慢充模式下8～10小時可洋溢，快充模式下48分鐘可充電80%，在極端的應急模式下充電10分鐘可行駛60km。
今年五月，比克3.0Ah電芯產品上市，能量密度達到250Wh/kg，助力新能源汽車實現(xiàn)超長續(xù)航。比克的三元材料電池不再惟有18650電芯，21700電芯已完成多次下線內測，4.8Ah21700圓柱電池開始小批量試樣，預計今年第四時度實現(xiàn)大批量出貨，年底推出5.0Ah產品。
天津力神在三元材料研發(fā)中形成了自己的特色，在NCA正極材料研究基礎上，開發(fā)高比能量、長循環(huán)壽命、良好安全性能的鋰離子動力鋰離子電池用高鎳系正極材料，并且通過納米制備、納米分散、包覆及預嵌鋰等多種技術，研發(fā)容量高、首次效率高、循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能好的硅碳負極材料。
正負極材料研發(fā)技術的沖破，使天津力神三元材料電池的能量密度提前達到國家設計的目標。據(jù)悉，其開發(fā)的電芯單體比能量達到302Wh/kg，體積能量密度大于642Wh/L，25℃下1C充放電循環(huán)710次(100%DOD)，容量保持率達到80%。天津力神通過進一步優(yōu)化電解液配方，循環(huán)性能分明改善，目前循環(huán)285次(100%DOD)容量保持率高達96%。這為開發(fā)出比能量300Wh/kg、循環(huán)壽命1500次的鋰離子電池單體奠定了基礎。
三元材料痛點待破
三元材料的優(yōu)點很分明，痛點也很突出，一是技術難度較大;二是材料價格上漲制約成本下降。日本松下電池率先實現(xiàn)高鎳三元材料電池量產，國內僅有少數(shù)公司量產NCM811，技術難度可想而知。駱兆軍說：“高鎳材料不僅堿度高，氧化性也是難題，這兩個技術挑戰(zhàn)成為許多公司研發(fā)高鎳三元材料的“攔路虎”。比克有十幾年的三元電池研發(fā)相關相關經驗，相關相關經驗積累在攻克難題中起了緊要用途?！睋?jù)解析，比克通過對材料熱特性研究和穩(wěn)定成膜添加劑，陶瓷隔膜技術使用和結構件優(yōu)化等多個方面最終完成了多層安全保證。
三元材料體系中非得使用金屬鈷，我國是鈷資源貧乏國家，非得依靠進口。近年來，隨著全球新能源汽車推廣熱潮升溫，鈷價格繼續(xù)上漲。2015年，全球精煉鈷的供給量約為10.2萬噸，而鈷的需求量約為9.2萬噸，鈷價格保持相對平衡，2016年，鈷價格開始穩(wěn)步上漲，但速度并不快，保持在10萬～15萬元/噸之間，2017年開始鈷價格一路上揚。有資料顯示，2018年，鈷價有可能達到80萬元/噸。
一家不愿透露姓名的產業(yè)投資者告訴記者，金屬鈷的稀缺性、供需緊張、寡頭控制、小品種在期貨市場容易被炒作，以及剛果(金)的時局等因素都成為鈷價繼續(xù)上張的動力源。
在新能源汽車補貼退坡和“雙積分”政策執(zhí)行的背景下，汽車公司為新增市場競爭力，每年要求電池公司降低供貨價格。整車公司對價格的“索取”越來越猛厲，而三元材料的降價能力有限，成本高成為令人頭痛的問題。
為了應對成本困擾，電池公司嘗試進一步采用高鎳辦法。據(jù)了解，國內有些公司正在研究9∶0.5∶0.5的三元材料電池，提高鎳的使用量，降低鈷的用量，從而規(guī)避鈷價不斷上漲帶來的成本困擾。
日本松下作為全球著名的三元材料電池公司，在高鎳化道路上走得更遠。前不久，松下汽車電池業(yè)務的負責人KenjiTamura在與分解師開會時表示：“我們已大幅降低鈷的使用量，并希望在不久的未來實現(xiàn)無鈷電池，目前研發(fā)已在進行中。”
