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三元鋰電池:到底是哪三元?

2020/6/28 9:07:38??????點擊:

何為“三元"

三元鋰電池(Ternary Lithium Battery),是指以鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰為正極材料,以石墨為負極材料,以六氟磷酸鋰為主的鋰鹽作為電解質的鋰電池。

鋰電池的常用命名方式主要有兩種,一是以電池中正極元素來命名,二是以電池最核心的反應機理和特征來命名(如柔性電池、固態電池)。三元鋰電池,采用的就是以其正極材料來命名,因為其正極材料包含了鎳、鈷、錳/鋁三種金屬元素,因此得名“三元”。需注意的是,鈦酸鋰電池是個例外,雖然其正極也有三種金屬元素,但其負極是鈦酸鋰而不是一般的石墨,所以不屬于一般的三元鋰電池。

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其正極材料中,鎳主要作用是提升電池的體積能量密度,是提升續航里程的主要突破口。鈷可以抑制陽離子的混排,從而提高起到提升穩定性和延長電池的壽命的作用,此外,其也決定了電池的充放電速度和效率(倍率性能)。錳或鋁的作用在于降低材料成本,并且可以提高電池的安全性和穩定性。


兩種路線:NCM和NCA

目前,動力三元主要分為鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)兩條技術路線。

兩條路線上,中日韓企業有所區別。中國企業以NCM為主(如CATL)、日本企業主要以NCA為主(如松下),韓國企業為NCM(南京LG)+NCA(三星SDI、韓國LG)

國內新能源汽車主要配套NCM電池,以方形和軟包為主,從早期的鎳鈷錳比例5:2:3逐漸發展為高鎳體系的8:1:1,成本更低、能量密度更高。以寧德時代的拳頭產品NCM811為例,電芯能量密度可達240Wh/kg。

相比之下,NCA的性能更加優越。松下生產的圓柱型NCA18650、21700主要供應特斯拉,系統能量密度最高甚至達到300Wh/kg。

但是,NCA的安全性問題值得考量。NCA在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。

除此以外,造成國內動力NCA發展緩慢的,一方面是NCA電池的制造工藝要求更高,如生產環境需控制濕度10%以下,另一方面NCA材料的主要供應商為日韓企業,如住友金屬,國內企業采購的價格較貴。

目前高鎳體系的NCM811性能上和NCA差距不大,但成本則低不少,綜合來看性價比更高。因此,在國內新能源車企想方設法降低成本的大趨勢下,價格永遠是不可忽視的重要因素。

高端如特斯拉,依然在不斷尋求降本方案。根據續航里程變化的推測,目前國產化后的后驅版Model 3的動力電池已更換為南京LG的NCM811,而非原本的松下NCA。


三元的未來


相比于磷酸鐵鋰電池,無論是NCM還是NCA的三元鋰電池都有許多特出的優勢。

電壓平臺更高,比容量更大。在同等的尺寸條件下,鐵鋰電池能裝10AH的,三元鋰電池通常能裝到15AH以上。這意味著,如果使用能量密度更低的鐵鋰電池,會占用更多的空間,且嚴重車身輕量化,長續航的乘用車幾乎不可接受。

耐低溫性能更好。低溫條件下(氣溫低于-10℃以下),磷酸鋰電池衰減得非常快,經過不到100次充放電循環,電池容量將下降到初始容量的20%,對于在北方使用受限。

三元在低溫性能、過充過放性能、能量密度、體積上優于磷酸鐵鋰。

當然,三元鋰電池也存在一定短板。

如熱穩定性較差,300℃左右就開始分解,三元鋰材料的化學反應更加劇烈,會釋放氧分子,在高溫作用下電解液迅速燃燒,發生熱失控。

因此在2016年初,工信部曾禁止新能源客車配套三元電池。

目前發生的新能源車自燃三元的比例較大。2020年的電動汽車百人會,安全問題是其中一個重要議題。

為應對三元鋰電池的安全性問題,更需要廠商在廠商在過充保護(OVP)、過放保護(UVP)、過溫保護(OTP)、過流保護(OCP)上多下功夫。

成本,成本,成本,是另一個大問題。三元鋰電池正極因為含有貴金屬,價格相對磷酸鐵鋰要高不少。而新能源汽車發展帶來的需求激增,鈷的價格已經飆升至36萬元/噸(3月5日價)。因此,三元鋰電池的一個重要革新方向,就是不斷升鎳降鈷,鎳鈷錳比例從532到622再到811,甚至再到將來的“無鈷”。

去年7月,長城汽車旗下蜂巢能源首發全球首款無鈷電池,宣傳再將2020年三季度可量產。

從2020年工信部新能源汽車推薦目錄來看,配套三元電池的新能源汽車仍占多數。而隨著如CTP技術的應用、低鈷技術的發展、NCA價格下降,成本降低、性能提升的三元鋰電池在市場更加具有競爭力。相信在未來的一段時間內,三元鋰電池仍是新能源乘用車的主流選擇。

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