磷酸鐵鋰電池的理論能量密度只有180Wh/kg, 三元材料電池因此擔起了攻堅重任. 而三元材料體系繁多, 哪種才是正確路線? 經過多家企業不斷摸索, 大家似乎達成共識, 高鎳體系的三元材料電池是今後的發展方向.
日前, 工信部發布了2018年第6批《新能源汽車推廣應用推薦車型目錄》 (簡稱《推薦目錄》) . 按照新能源汽車補貼新政要求, 自6月12日起, 從今年第5批開始, 進入《推薦目錄》的新車型才能享受補貼. 第5批, 第6批《推薦目錄》對汽車的電池能量密度, 續駛裡程等方面提出胃更高要求.
事實上, 此前出台的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》已明確我國動力電池目標, 到2020年, 鋰離子動力電池單體比能量大於300Wh/kg; 系統比能量爭取達到260Wh/kg; 成本小於1元/Wh; 使用環境從零下30℃到55℃; 具備3C充電能力, 力爭實現單體電池350Wh/kg.
磷酸鐵鋰電池的理論能量密度只有180Wh/kg, 三元材料電池因此擔起了攻堅重任. 而三元材料體系繁多, 哪種才是正確路線? 經過多家企業不斷摸索, 大家似乎達成共識, 高鎳體系的三元材料電池是今後的發展方向.
■高鎳三元材料成為主流
經濟學家常常用供給與需求兩條曲線分析市場, 兩者的交叉就是平衡點. 動力電池企業也應用這個原理分析產品發展趨勢.
寧德時代新能源科技有限公司副總裁, 首席科學家吳凱展示了動力電池能量密度與成本之間的關係. 隨著規模擴大, 技術進步, 成本曲線向下傾斜; 克服 '裡程焦慮症' 的辦法只有提升能量密度, 這也是我國政府和行業鼓勵的方向. 向上的能量密度曲線與成本曲線形成交叉點, 動力電池企業圍繞於此做文章.
吳凱說: '企業對電池的設計都是從成本與能量密度的平衡著眼. 在平衡點之下, 三元材料佔有優勢; 在平衡點之上, 矽基負極體系和固態電池佔有優勢. 在固態電池還不能商業化的背景下, 三元材料體系成為主攻目標. '
近期, 在多個產業發展論壇上, 企業和科研機構的專家均談到, 磷酸鐵鋰電池受到自身材料性能的限制, 以目前的技術水平難以在2020年達到國家規定的能量密度要求, 而三元材料中的NCM111和NCM523等類型電池也是如此.
據專家介紹, 目前主流的NCM523電池, 能量密度可以達到160~ 200Wh/kg, 與300Wh/kg有較大距離. 科研人員提高三元體系中鎳的含量, 電池的能量密度顯著提高, NCM622和NCM811分別達到230Wh/kg和280Wh/kg. 為了達到300Wh/kg的目標, 高鎳三元材料成為必然的選擇.
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型號佔比78% , NCM622型號佔比14% , NCM811/NCA佔比8% , NCM811產量大幅增長.
目前, 高鎳三元材料有兩種路線, 分別是NCM (鎳鈷錳) 和NCA (鎳鈷鋁) . 在高鎳三元材料中, 鎳的主要作用是提供容量, 其含量越高, 電池的能量密度越大; 鈷元素在貢獻一部分容量的同時起到穩定結構的作用; 錳/鋁主要用來穩定三元體繫結構.
■企業憑技術積累走在前列
比克是國內較早從事三元電池研發與生產的企業, 自2006年至今積累了豐富的經驗. 目前, 比克已實現NCM811動力電池的批量供貨.
比克生產的三元電池全部為圓柱電池, 目前主要供應18650-2.75Ah電芯產品. 記者在比克電池工廠看到過配裝18650-2.75Ah電芯的零跑LP-S01電動汽車. 據介紹, 其整包電量36kWh, 最大續駛裡程360km, NEDC工況下續駛裡程250km, 在慢充模式下8~ 10小時可充滿, 快充模式下48分鐘可充電80% , 在極端的應急模式下充電10分鐘可行駛60km.
今年5月, 比克3.0Ah電芯產品上市, 能量密度達到250Wh/kg, 助力新能源汽車實現超長續航. 比克的三元材料電池不再只有18650電芯, 21700電芯已完成多次下線內測, 4.8Ah 21700圓柱電池開始小批量試樣, 預計今年第四季度實現大批量出貨, 年底推出5.0Ah產品.
天津力神在三元材料研發中形成了自己的特色, 在NCA正極材料研究基礎上, 開發高比能量, 長迴圈壽命, 良好安全性能的鋰離子動力電池用高鎳系正極材料, 並且通過納米製備, 納米分散, 包覆及預嵌鋰等多種技術, 研發容量高, 首次效率高, 迴圈穩定性及倍率性能好的矽碳負極材料.
正負極材料研發技術的突破, 使天津力神三元材料電池的能量密度提前達到國家設計的目標. 據悉, 其開發的電芯單體比能量達到302Wh/kg, 體積能量密度大於642Wh/L, 25℃下1C充放電迴圈710次 (100% DOD) , 容量保持率達到80% . 天津力神通過進一步優化電解液配方, 迴圈性能明顯改善, 目前迴圈285次 (100% DOD) 容量保持率高達96% . 這為開發出比能量300Wh/kg, 迴圈壽命1500次的鋰離子電池單體奠定了基礎.
■三元材料痛點待破
三元材料的優勢很明顯, 痛點也很突出, 一是技術難度較大; 二是材料價格上漲制約成本下降. 日本松下電池率先實現高鎳三元材料電池量產, 國內僅有少數企業量產NCM811, 技術難度可想而知. 駱兆軍說: '高鎳材料不僅堿度高, 氧化性也是難題, 這兩個技術挑戰成為許多企業研發高鎳三元材料的 '攔路虎' . 比克有十幾年的三元電池研發經驗, 經驗積累在攻克難題中起了重要作用. ' 據介紹, 比克通過對材料熱特性研究和穩定成膜添加劑, 陶瓷隔膜技術應用和結構件優化等多個方面最終完成了多層安全保證.
三元材料體系中必須使用金屬鈷, 我國是鈷資源貧乏國家, 必須依賴進口. 近年來, 隨著全球新能源汽車推廣熱潮升溫, 鈷價格持續上漲. 2015年, 全球精鍊鈷的供給量約為10.2萬噸, 而鈷的需求量約為9.2萬噸, 鈷價格保持相對平衡, 2016年, 鈷價格開始穩步上漲, 但速度並不快, 保持在10萬~ 15萬元/噸之間, 2017年開始鈷價格一路上揚. 有資料顯示, 2018年, 鈷價有可能達到80萬元/噸.
一家不願透露姓名的產業投資者告訴《中國汽車報》記者, 金屬鈷的稀缺性, 供需緊張, 寡頭控制, 小品種在期貨市場容易被炒作, 以及剛果 (金) 的時局等因素都成為鈷價持續上張的動力源.
在新能源汽車補貼退坡和 '雙積分' 政策實施的背景下, 汽車企業為增加市場競爭力, 每年要求電池企業降低供貨價格. 整車企業對價格的 '索取' 越來越猛烈, 而三元材料的降價能力有限, 成本高成為令人頭痛的問題.
為了應對成本困擾, 電池企業嘗試進一步採用高鎳方法. 據了解, 國內有些企業正在研究9∶0.5∶0.5的三元材料電池, 提高鎳的使用量, 降低鈷的用量, 從而規避鈷價不斷上漲帶來的成本困擾.
日本松下作為全球著名的三元材料電池企業, 在高鎳化道路上走得更遠. 前不久, 松下汽車電池業務的負責人Kenji Tamura在與分析師開會時表示: '我們已大幅降低鈷的使用量, 並希望在不久的將來實現無鈷電池, 目前研發已在進行中. '
