中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：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(dān)起了攻堅(jiān)重任。而三元材料體系繁多，哪種才是正確路線?經(jīng)過(guò)多家企業(yè)不斷摸索，大家似乎達(dá)成共識(shí)，高鎳體系的三元材料電池是今后的發(fā)展方向。
日前，工信部發(fā)布了2018年第6批《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》(簡(jiǎn)稱(chēng)《推薦目錄》)。按照新能源汽車(chē)補(bǔ)貼新政要求，自6月12日起，從今年第5批開(kāi)始，進(jìn)入《推薦目錄》的新車(chē)型才能享受補(bǔ)貼。第5批、第6批《推薦目錄》對(duì)汽車(chē)的電池能量密度、續(xù)駛里程等方面提出胃更高要求。
事實(shí)上，此前出臺(tái)的《促進(jìn)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)方案》已明確我國(guó)動(dòng)力電池目標(biāo)，到2020年，鋰離子動(dòng)力電池單體比能量大于300Wh/kg;系統(tǒng)比能量爭(zhēng)取達(dá)到260Wh/kg;成本小于1元/Wh;使用環(huán)境從零下30℃到55℃;具備3C充電能力，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)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(dān)起了攻堅(jiān)重任。而三元材料體系繁多，哪種才是正確路線?經(jīng)過(guò)多家企業(yè)不斷摸索，大家似乎達(dá)成共識(shí)，高鎳體系的三元材料電池是今后的發(fā)展方向。
高鎳三元材料成為主流
經(jīng)濟(jì)學(xué)家常常用供給與需求兩條曲線分析市場(chǎng)，兩者的交叉就是平衡點(diǎn)。動(dòng)力電池企業(yè)也應(yīng)用這個(gè)原理分析產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)。
寧德時(shí)代新能源科技有限公司副總裁、首席科學(xué)家吳凱展示了動(dòng)力電池能量密度與成本之間的關(guān)系。隨著規(guī)模擴(kuò)大、技術(shù)進(jìn)步，成本曲線向下傾斜;克服“里程焦慮癥”的辦法只有提升能量密度，這也是我國(guó)政府和行業(yè)鼓勵(lì)的方向。向上的能量密度曲線與成本曲線形成交叉點(diǎn)，動(dòng)力電池企業(yè)圍繞于此做文章。
吳凱說(shuō)：“企業(yè)對(duì)電池的設(shè)計(jì)都是從成本與能量密度的平衡著眼。在平衡點(diǎn)之下，三元材料占有優(yōu)勢(shì);在平衡點(diǎn)之上，硅基負(fù)極體系和固態(tài)電池占有優(yōu)勢(shì)。在固態(tài)電池還不能商業(yè)化的背景下，三元材料體系成為主攻目標(biāo)?！?
近期，在多個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇上，企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)的專(zhuān)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(shù)水平難以在2020年達(dá)到國(guó)家規(guī)定的能量密度要求，而三元材料中的NCM111和NCM523等類(lèi)型電池也是如此。
據(jù)專(zhuān)家介紹，目前主流的NCM523電池，能量密度可以達(dá)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(dá)到230Wh/kg和280Wh/kg。為了達(dá)到300Wh/kg的目標(biāo)，高鎳三元材料成為必然的選擇。
數(shù)據(jù)顯示，2018年一季度，國(guó)內(nèi)三元材料產(chǎn)量31670噸，同比增長(zhǎng)64.26%。其中，常規(guī)NCM型號(hào)占比78%，NCM622型號(hào)占比14%，NCM811/NCA占比8%，NCM811產(chǎn)量大幅增長(zhǎng)。
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(xiàn)一部分容量的同時(shí)起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用;錳/鋁主要用來(lái)穩(wěn)定三元體系結(jié)構(gòu)。
企業(yè)憑技術(shù)積累走在前列
比克是國(guó)內(nèi)較早從事三元電池研發(fā)與生產(chǎn)的企業(yè)，自2006年至今積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，比克已實(shí)現(xiàn)NCM811動(dòng)力電池的批量供貨。
比克生產(chǎn)的三元電池全部為圓柱電池，目前主要供應(yīng)18650-2.75Ah電芯產(chǎn)品。記者在比克電池工廠看到過(guò)配裝18650-2.75Ah電芯的零跑LP-S01電動(dòng)汽車(chē)。據(jù)介紹，其整包電量36kWh，最大續(xù)駛里程360km，NEDC工況下續(xù)駛里程250km，在慢充模式下8～10小時(shí)可充滿(mǎn)，快充模式下48分鐘可充電80%，在極端的應(yīng)急模式下充電10分鐘可行駛60km。
今年5月，比克3.0Ah電芯產(chǎn)品上市，能量密度達(dá)到250Wh/kg，助力新能源汽車(chē)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)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(nèi)測(cè)，4.8Ah 21700圓柱電池開(kāi)始小批量試樣，預(yù)計(jì)今年第四季度實(shí)現(xiàn)大批量出貨，年底推出5.0Ah產(chǎn)品。
天津力神在三元材料研發(fā)中形成了自己的特色，在NCA正極材料研究基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)高比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命、良好安全性能的鋰離子動(dòng)力電池用高鎳系正極材料，并且通過(guò)納米制備、納米分散、包覆及預(yù)嵌鋰等多種技術(shù)，研發(fā)容量高、首次效率高、循環(huán)穩(wěn)定性及倍率性能好的硅碳負(fù)極材料。
正負(fù)極材料研發(fā)技術(shù)的突破，使天津力神三元材料電池的能量密度提前達(dá)到國(guó)家設(shè)計(jì)的目標(biāo)。據(jù)悉，其開(kāi)發(fā)的電芯單體比能量達(dá)到302Wh/kg，體積能量密度大于642Wh/L，25℃下1C充放電循環(huán)710次(100%DOD)，容量保持率達(dá)到80%。天津力神通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化電解液配方，循環(huán)性能明顯改善，目前循環(huán)285次(100%DOD)容量保持率高達(dá)96%。這為開(kāi)發(fā)出比能量300Wh/kg、循環(huán)壽命1500次的鋰離子電池單體奠定了基礎(chǔ)。
三元材料痛點(diǎn)待破
三元材料的優(yōu)勢(shì)很明顯，痛點(diǎn)也很突出，一是技術(shù)難度較大;二是材料價(jià)格上漲制約成本下降。日本松下電池率先實(shí)現(xiàn)高鎳三元材料電池量產(chǎn)，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)量產(chǎn)NCM811，技術(shù)難度可想而知。駱兆軍說(shuō)：“高鎳材料不僅堿度高，氧化性也是難題，這兩個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)成為許多企業(yè)研發(fā)高鎳三元材料的“攔路虎”。比克有十幾年的三元電池研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)積累在攻克難題中起了重要作用?！睋?jù)介紹，比克通過(guò)對(duì)材料熱特性研究和穩(wěn)定成膜添加劑，陶瓷隔膜技術(shù)應(yīng)用和結(jié)構(gòu)件優(yōu)化等多個(gè)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(guó)是鈷資源貧乏國(guó)家，必須依賴(lài)進(jìn)口。近年來(lái)，隨著全球新能源汽車(chē)推廣熱潮升溫，鈷價(jià)格持續(xù)上漲。2015年，全球精煉鈷的供給量約為10.2萬(wàn)噸，而鈷的需求量約為9.2萬(wàn)噸，鈷價(jià)格保持相對(duì)平衡，2016年，鈷價(jià)格開(kāi)始穩(wěn)步上漲，但速度并不快，保持在10萬(wàn)～15萬(wàn)元/噸之間，2017年開(kāi)始鈷價(jià)格一路上揚(yáng)。有資料顯示，2018年，鈷價(jià)有可能達(dá)到80萬(wàn)元/噸。
一家不愿透露姓名的產(chǎn)業(yè)投資者告訴記者，金屬鈷的稀缺性、供需緊張、寡頭控制、小品種在期貨市場(chǎng)容易被炒作，以及剛果(金)的時(shí)局等因素都成為鈷價(jià)持續(xù)上張的動(dòng)力源。
在新能源汽車(chē)補(bǔ)貼退坡和“雙積分”政策實(shí)施的背景下，汽車(chē)企業(yè)為增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，每年要求電池企業(yè)降低供貨價(jià)格。整車(chē)企業(yè)對(duì)價(jià)格的“索取”越來(lái)越猛烈，而三元材料的降價(jià)能力有限，成本高成為令人頭痛的問(wèn)題。
為了應(yīng)對(duì)成本困擾，電池企業(yè)嘗試進(jìn)一步采用高鎳方法。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)有些企業(yè)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(guī)避鈷價(jià)不斷上漲帶來(lái)的成本困擾。
日本松下作為全球著名的三元材料電池企業(yè)，在高鎳化道路上走得更遠(yuǎn)。前不久，松下汽車(chē)電池業(yè)務(wù)的負(fù)責(zé)人Kenji Tamura在與分析師開(kāi)會(huì)時(shí)表示：“我們已大幅降低鈷的使用量，并希望在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)鈷電池，目前研發(fā)已在進(jìn)行中?！?
