鉅大LARGE | 點擊量:1521次 | 2018年09月18日
寧德時代的811電池是否能解決安全問題?
由于特斯拉所使用的電池是鎳鈷鋁NCA三元鋰電池,而中國新能源汽車使用的三元鋰電池主要是鎳鈷錳NCM電池,在電池技術路線上,業界曾一度有過這樣的爭議:到底該走NCA路線,還是走NCM路線?
目前,方向正在變得明晰,業界基本達成這樣的共識:在進化到固態電池之前,走鎳鈷錳NCM路線,而且不斷提高鎳的比例。中科院院士歐陽明高就曾明確提出,“現在國內正在從鎳:鈷:錳比例3:3:3轉向6:2:2,再轉變到8:1:1,正在逐步實現。”
“這幾年中國電力電池技術水平成長很快,成本降低也很多。從正極材料來講,現在逐漸走向高鎳的三元材料,最近大家都在談811電池;從負極來講,電解液、薄膜等材料都已走向量產。我們希望在2020年之前能量密度可以達到300WH/kg。”
在最近的一次會議上,寧德時代副董事長黃世霖做了這樣一次發言。而在之前的媒體報道中,寧德時代有望在明年推出811電池。同樣,比亞迪也有這樣的計劃。
NCA技術壁壘高,且材料幾乎被日企壟斷
三元鋰電池是一種以鎳鈷元素作為正極材料,以錳鹽或鋁鹽來穩定化學架構的鋰電池。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。由于這兩類鋰電池能量密度相對更高,還能夠平衡續航和穩定性,所以成為了電動汽車電池的首選。
那么,兩種電池都各自的優劣勢都是怎樣的呢?
鎳鈷鋁電池,對制作工藝要求高且成本高,但鋁可以起到提高電池循環化學穩定性的作用,搭配在三元體系中,鎳含量可以得到一定提升,從而實現更高的電池能量密度。但是鎳鈷鋁晶體結構較鎳鈷錳不穩定,容易在較高溫度的情況下,發生崩塌導致熱失控,且pH值過高易使單體脹氣,進而引發危險。
鎳鈷錳電池內的錳元素較難穩定更多的鎳,導致目前鎳鈷錳體系能量密度稍低,所以續航表現不如鎳鈷鋁電池。但好處是,含錳三元體系熱穩定性更佳,同時鎳含量比例較少,因而作為動力電池更為安全。
鎳鈷鋁NCA電池材料的技術壁壘高,目前產能主要集中在日韓,我國量產較少。主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。
一位業內專家告訴第一電動:“從我了解的情況來看,國內主要的電池巨頭都還是以NCM為主,NCA還沒有規模投入市場。松下給特斯拉供的NCA單體密度已經可以做到300,而NCM811基本上也就做到250,這么來看NCA的密能量密度還是有比較明顯優勢。國內不搞NCA主要的壁壘還是來自技術瓶頸,NCA材料供應基本被日本企業壟斷,電芯設計方面安全性的挑戰比較大,生產工藝方面要求也更高比如濕度10%以下。”
811電池漸成國內趨勢,但還需要解決安全性問題
從能量需求看,NCA電池的確更有優勢。不過,綜合考慮制造工藝、成本、還有目前的技術條件,中國的電池企業當下主要還是集中在生產NCM。
在NCM電池中,按照鎳鈷錳三者含量的不同,NCM材料可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其中后面的數字代表的是鎳鈷錳的比例。從行業趨勢看,目前國內主流動力類正極材料是NCM523。
但是,由于電動汽車廠家對電池續航里程要求越來越高,國內的動力電池廠商也紛紛把重點投向高鎳三元方向。因為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。而另一方面,而且作為稀有金屬的鈷價格不斷上漲,高鎳體系的NCM811將成為未來重要的發展方向。目前,NCM811材料技術日漸成熟,并開始逐漸釋放產能,形成小批量試用。
行業數據顯示,2018年一季度,國內三元材料產量31670噸,同比增長64.26%。其中常規NCM型號占比78%,NCM622型號占比14%,NCM811/NCA占比8%。其中NCM811產量大幅激增。由于車企和電池企業對于高鎳三元材料的導入需求迫切,推進速度不斷加快,今年一季度以來,NCM811材料已呈現出嚴重供不應求的狀態。
可以說,在前幾年高鎳三元材料電池還處于個別廠家和學界的研發階段,但從2016年開始,高鎳三元電池的研發和生產已呈“燎原”之勢。但問題也隨之而來,三元材料中的鎳含量越高,材料的穩定性越差,安全性越差。這個問題如何解決?
業內專家也就這方面向第一電動表示:“鎳比例越高,正極材料的熱穩定性就越差。在遇到高溫、外力沖擊等情況時,高鎳電池會存在安全隱患。且高鎳電池充電時產氣會導致電池鼓脹也是一個待解的問題。作為應用到汽車產品中的關鍵部件,高鎳產品在安全方面仍然需要有更大程度的改進。可以說這是未來三年要努力克服的問題。”
業內普遍認為,三元高鎳材料的安全性可以通過材料改性優化、表面包覆、調整電解液和負極材料等方式來逐步解決。而另一方面,動力電池包內的其他設備也在進步,比如電池管理系統,比如各種傳感器等等,它們也能彌補一部分電池在安全性能方面的不足。不過,811電池的量產,肯定還有不短的一段路要走。