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三元锂电池:到底是哪三元?

2020/6/28 9:07:38??????点击:

何为“三元"

三元锂电池(Ternary Lithium Battery),是指以镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂为正极材料,以石墨为负极材料,以六氟磷酸锂为主的锂盐作为电解质的锂电池。

锂电池的常用命名方式主要有两种,一是以电池中正极元素来命名,二是以电池最核心的反应机理和特征来命名(如柔性电池、固态电池)。三元锂电池,采用的就是以其正极材料来命名,因为其正极材料包含了镍、钴、锰/铝三种金属元素,因此得名“三元”。需注意的是,钛酸锂电池是个例外,虽然其正极也有三种金属元素,但其负极是钛酸锂而不是一般的石墨,所以不属于一般的三元锂电池。

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其正极材料中,镍主要作用是提升电池的体积能量密度,是提升续航里程的主要突破口。钴可以抑制阳离子的混排,从而提高起到提升稳定性和延长电池的寿命的作用,此外,其也决定了电池的充放电速度和效率(倍率性能)。锰或铝的作用在于降低材料成本,并且可以提高电池的安全性和稳定性。


两种路线:NCM和NCA

目前,动力三元主要分为镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两条技术路线。

两条路线上,中日韩企业有所区别。中国企业以NCM为主(如CATL)、日本企业主要以NCA为主(如松下),韩国企业为NCM(南京LG)+NCA(三星SDI、韩国LG)

国内新能源汽车主要配套NCM电池,以方形和软包为主,从早期的镍钴锰比例5:2:3逐渐发展为高镍体系的8:1:1,成本更低、能量密度更高。以宁德时代的拳头产品NCM811为例,电芯能量密度可达240Wh/kg。

相比之下,NCA的性能更加优越。松下生产的圆柱型NCA18650、21700主要供应特斯拉,系统能量密度最高甚至达到300Wh/kg。

但是,NCA的安全性问题值得考量。NCA在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。

除此以外,造成国内动力NCA发展缓慢的,一方面是NCA电池的制造工艺要求更高,如生产环境需控制湿度10%以下,另一方面NCA材料的主要供应商为日韩企业,如住友金属,国内企业采购的价格较贵。

目前高镍体系的NCM811性能上和NCA差距不大,但成本则低不少,综合来看性价比更高。因此,在国内新能源车企想方设法降低成本的大趋势下,价格永远是不可忽视的重要因素。

高端如特斯拉,依然在不断寻求降本方案。根据续航里程变化的推测,目前国产化后的后驱版Model 3的动力电池已更换为南京LG的NCM811,而非原本的松下NCA。


三元的未来


相比于磷酸铁锂电池,无论是NCM还是NCA的三元锂电池都有许多特出的优势。

电压平台更高,比容量更大。在同等的尺寸条件下,铁锂电池能装10AH的,三元锂电池通常能装到15AH以上。这意味着,如果使用能量密度更低的铁锂电池,会占用更多的空间,且严重车身轻量化,长续航的乘用车几乎不可接受。

耐低温性能更好。低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,对于在北方使用受限。

三元在低温性能、过充过放性能、能量密度、体积上优于磷酸铁锂。

当然,三元锂电池也存在一定短板。

如热稳定性较差,300℃左右就开始分解,三元锂材料的化学反应更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液迅速燃烧,发生热失控。

因此在2016年初,工信部曾禁止新能源客车配套三元电池。

目前发生的新能源车自燃三元的比例较大。2020年的电动汽车百人会,安全问题是其中一个重要议题。

为应对三元锂电池的安全性问题,更需要厂商在厂商在过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)上多下功夫。

成本,成本,成本,是另一个大问题。三元锂电池正极因为含有贵金属,价格相对磷酸铁锂要高不少。而新能源汽车发展带来的需求激增,钴的价格已经飙升至36万元/吨(3月5日价)。因此,三元锂电池的一个重要革新方向,就是不断升镍降钴,镍钴锰比例从532到622再到811,甚至再到将来的“无钴”。

去年7月,长城汽车旗下蜂巢能源首发全球首款无钴电池,宣传再将2020年三季度可量产。

从2020年工信部新能源汽车推荐目录来看,配套三元电池的新能源汽车仍占多数。而随着如CTP技术的应用、低钴技术的发展、NCA价格下降,成本降低、性能提升的三元锂电池在市场更加具有竞争力。相信在未来的一段时间内,三元锂电池仍是新能源乘用车的主流选择。

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