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三元锂电池的NCM与NCA路线之争
来源:科普朗 浏览量:
  我们在之前的文章中为大家介绍过三元锂电池,并认为它会成为动力电池尤其是乘用车领域的主要电池类型,相比与磷酸铁锂电池,它拥有更高的比能量和比功率,更符合乘用车的需求。在过去的2017年,中国的三元电池实现装车15GWh,占比44.71%,虽然略低于磷酸铁锂电池,但随着乘用车电动车的发力,我们可以预期它很快可以成为绝对第一。
    不过,值得注意的是,我们国家的三元锂电池主要是NCM电池,而并非特斯拉上所使用的NCA三元锂电池,那么,这两者之间到底有何不同,未来的发展又将如何,我们一起来简单了解下。 
  首先,无论NCM还是NCA,都是指电池正极材料,NCM是指正极材料由镍钴锰三种材料由一定比例组合而成,而NCA的正极材料是由镍钴铝构成,每个字母对应的都是相关元素的化学首字母。可以看到,两种三元材料的前两者是一样的,都是镍和钴,只有最后一个不同,前者为锰,后者为铝。  
  一个基础事实是,随着镍元素含量的升高,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。因此,在NCM电池中,按照三者含量不同,NCM材料可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其中后面的数字代表的就是三者的比例。在对续航里程要求越来越高的需求下,电池的比能量需要更高,再加上作为稀有金属的钴价格不断上涨之下,高镍体系的NCM811将成为未来重要的发展方向。  
  而NCA中镍钴铝常见的配比为8:1.5:0.5,铝的含量非常少,因此可以理解它接近二元材料,以Al(过渡金属)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。但是在制作过程中,由于Al为两性金属,不易沉淀,因此NCA材料制作工艺上存在门槛。  
  由于NCA材料的技术壁垒高,目前产能主要集中在日韩,我国量产较少。主要供应商有住友金属(Sumitomo)、日本化学产业株式会社和户田化学(Toda),韩国的Ecopro和GSEM也有少量产品销售。其中,Toda主要供应日本AESC和韩国LGC,Sumitomo主要供应松下和PEVE,韩国的Ecopro对应客户为SDI。  
  NCA电池在中国还未能大量生产,主要的难点在于:  
  一、高镍材料荷电状态下的热稳定性较差,导致电池的安全性下降,使得电池生产企业和终端产品用户对NCA电池的安全性心存顾虑,需要从电芯设计、电源系统设计、电源使用等环节进行系统可靠的安全设计。  
  二、充放电过程存在严重的产气,这会导致电池鼓胀变形,循环及搁置寿命下降,电池存在安全隐患,所以通常采用耐压的圆柱电池壳制作NCA电池,降低了产气量以控制电池鼓胀变形问题。  
  三、NCA要求在电池生产全过程均要控制湿度在10%以下,而其他材料目前只需注液工序对湿度进行严格控制。这对国内企业形成了很大的挑战。  
  目前还没有公开的数据,可以详细比较NCA和NCM811的能量密度、安全性以及性价比,很难说孰优孰劣。不过,有专家指出,NCA和NCM811性能上比较接近,但在价格上NCM811略微便宜。而且,NCA体系电池也并非尽善尽美,如果要进一步提升能量密度,需要在21700基础上不断地做大体积,而这会对电池安全管理提出更大的挑战。基于这些原因,中国的NCA电池目前的产量比较小,也在情理之中,2017年NCA电池的装车量只有区区286.5MWh。  
  不过,笔者查阅了特斯拉的相关资料发现,松下最近与特斯拉联合推出21700的NCA电池,单体的能量密度接近300Wh/kg左右,比原来18650电池的250Wh/kg提高约10%以上,几乎是世界上能量密度最高的量产锂离子电池了。这个数字,远远高出国内使用率最高的NCM523电池单体200Wh/kg的能量密度水平,也明显高出国内刚刚出现且最为领先的NCM811电池的能量密度水平,即单体最高250Wh/kg、系统最高200Wh/kg的水平。所以说,对于NCA电池,还是有必要研发,好在国内的电池企业大多数在此方面已经有所动作,只是看什么时候能够突破技术壁垒,形成量产能力。
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