鉅大LARGE | 點擊量:997次 | 2018年06月16日
鋰離子電池高鎳之戰,誰主沉浮
2018年是高鎳811的元年,隨著國家補貼政策直接與電池能量密度掛鉤,三元電池特別是高能量密度的高鎳811電池成為國內許多電池企業的必然的選擇,同時,伴隨著鈷價格的高漲,高鎳811成為動力電池的發展趨勢。三元正極材料分為鎳鈷錳酸鋰(NCM)和鎳鈷鋁酸鋰(NCA),國內主要采用NCM技術路線,日韓采用NCA技術路線。NCM按照鎳鈷錳三者的比例又可以分為111、532、622、811。我們經常提到的高鎳主要為811正極材料。
高鎳811正極材料之所以受到國內電池企業的歡迎,是因為采用811作為正極的電池具有較高的能量密度、相對較為穩定的價格和對環境比較友好。
高能量密度優勢明顯,滿足補貼新政能量密度要求
國家發展改革委和科技部聯合印發的《汽車產業中長期發展規劃》,明確到2020年,新能源汽車年產銷達到200萬輛,動力電池單體能量密度達到300Wh/kg以上,力爭實現350Wh/kg,系統能量密度力爭達到260Wh/kg、成本降至1元/Wh以下。到2025年,新能源汽車占汽車產銷20%以上,動力電池系統能量密度達到350Wh/kg。現有技術情況下,以磷酸鐵鋰和622以下的正極材料是很難達到這個要求的,而只有以高鎳811為正極材料的電池才能保證能量密度達到300wh/kg以上的要求。
成本優勢明顯,滿足補貼退坡下需求
高鎳811正極材料里面鈷的比例較其他三元材料的鈷比例低,受到鈷價上漲的影響較小,價格也比鈷酸鋰價格低很多。進入2018年,隨著各大電池廠紛紛開始布局甚至量產高鎳811電池,高鎳811正極材料的需求量和價格不斷增長,進入2018年價格增長達到265元/kg,但跟鈷酸鋰400元/kg的價格比起來還是非常具有優勢。以圓柱18650為例,單顆電芯重量為47g,所需高鎳811正極材料重量為17g左右,單位電量所需811的量為17g/wh,單位電量811成本為0.42元/wh,單個電芯所需高鎳811正極材料成本大概為3.5-4元左右,占總材料成本的40-50%,是電池成本里面占比最高的一部分。
乘用車企業率先應用,拉開811產業化的序幕
由于811電池具有較高的能量密度,能夠在較小的重量內提供較高的電量,所以開始時主要在乘用車上面使用,如東風、云度、江淮和小鵬等,車輛續航里程普遍達到300km以上。
圓柱電池企業先下一城,率先搶占高鎳811產品
高鎳811電池所具有的性能優勢讓其在車用動力電池領域非常具有競爭力,各大圓柱電池企業包括比克、力神、鵬輝、遠東福斯特等都已經研發或者和量產出高鎳811產品。
高鎳材料需求空間廣闊,材料企業積極布局
高鎳811材料價格和需求的增長,也吸引了大批材料企業的集中布局,如容百、當升、杉杉、巴莫等都公布了自己的高鎳811材料產能規劃。
2017年,全年只有少量電池廠在生產高鎳811電池,加上各類研發和試驗所需的材料,其需求量還比較少。進入2018年,各大圓柱廠商的811產線經過設備調試和人員培訓,已經布局到位,811電池的全年平均實際產能將會達到7Gwh左右,所需的811材料大概在13600噸。而進入2019年,811材料在方型和軟包電池上的應用將會更加成熟,811材料的需求量會不斷增長。
雖然811擁有這么多的優點,但是在使用的過程中,也面臨著一些問題:
1、循環過程中的Ni/Li混排,產生相變反應,由于鋰離子的傳輸速率在顆粒內部各部位不相同,所以在充放電過程中會逐漸建立鋰離子濃度梯度,并且缺鋰的程度由表及里逐漸減小,表層晶格的扭曲程度最大,發生相變反應的概率也最大,這就是所謂的表面重構,這種表面重構現象和材料中Ni元素的含量有密切關系,進而誘發應力應變效應。
2、材料表面與空氣和電解液容易發生副反應,對于NCA材料而言,即便是未循環過的原始材料,只要暴露在空氣中,其表面也存在一層類NiO相,并且和電解液接觸的一瞬間就會發生反應生成更多類NiO相。而對于NCM材料,由于Mn元素以+4價的形式存在,為了保持電荷平衡,必然存在一部分Ni以+2價形式存在,在合成過程中表層會出現一層NiO相。
3、高溫條件下材料的結構穩定性差和表面催化活性較差。
811產品的問題現在主要通過元素摻雜和表面修飾的方式來解決解決。1、元素摻雜:如Mg和F等,可以有效減弱循環過程中和高溫高充電截止電勢下的相變反應;2、表面修飾:一方面包覆的厚度需要足夠大且均勻,以抑制表面的副反應從而保護活性物質,另一方面表面包覆層又需要盡可能的薄,以保證Li+的傳導不受阻礙。
由于高鎳811的高溫穩定性和結構穩定性較差,生產工藝比較難以掌控,現階段主要在生產工藝比較成熟的在圓柱電池上面實現了量產,如比克、力神、鵬輝、福斯特等,而方型和軟包電池現在都還處在研發和測試階段,暫時還沒有量產的產品,預計最快也要2019年才能推出。在補貼跟能量密度掛鉤的情況下,圓柱電池企業將有不錯的表現,而方型和軟包電池企業則面臨著很大的挑戰。