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锂电池中的“三元高镍”是什么意思?

2023.3.30

与传统电池不同,锂电动力电池拥有一个庞大的正极、较小的负极、和较少的电解液,正极成本达到动力电池整体成本的40%左右。从目前技术来看,锂电池能量密度升级的主要攻关方向,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。

那么为什么国内厂商不生产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技术主要集中在日韩厂商(LG、松下)手中,中国企业技术主要差在两点。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,这对国内企业形成了很大的挑战;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;6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NCM 811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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