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811电池有哪些优势?安全性问题仍不容忽视

2020-06-05   点击量:18

由于特斯拉所使用的电池是镍钴铝NCA三元锂电池,而中国新能源汽车使用的三元锂电池主要是镍钴锰NCM电池,在电池技术路线上,业界曾一度有过这样的争议:到底该走NCA路线,还是走NCM路线?


目前,方向正在变得明晰,业界基本达成这样的共识:在进化到固态电池之前,走镍钴锰NCM路线,而且不断提高镍的比例。中科院院士欧阳明高就曾明确提出,现在国内正在从镍:钴:锰比例3:3:3转向6:2:2,再转变到8:1:1,正在逐步实现。


这几年中国电力电池技术水平成长很快,成本降低也很多。从正极材料来讲,现在逐渐走向高镍的三元材料,最近大家都在谈811电池;从负极来讲,电解液、薄膜等材料都已走向量产。我们希望在2020年之前能量密度可以达到300WH/kg。


在最近的一次会议上,宁德时代副董事长黄世霖做了这样一次发言。而在之前的媒体报道中,宁德时代有望在明年推出811电池。同样,比亚迪也有这样的计划。


NCA技术壁垒高,且材料几乎被日企垄断


三元锂电池是一种以镍钴元素作为正极材料,以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池。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。由于这两类锂电池能量密度相对更高,还能够平衡续航和稳定性,所以成为了电动汽车电池的首选。


那么,两种电池都各自的优劣势都是怎样的呢?


镍钴铝电池,对制作工艺要求高且成本高,但铝可以起到提高电池循环化学稳定性的作用,搭配在三元体系中,镍含量可以得到一定提升,从而实现更高的电池能量密度。但是镍钴铝晶体结构较镍钴锰不稳定,容易在较高温度的情况下,发生崩塌导致热失控,且pH值过高易使单体胀气,进而引发危险。


镍钴锰电池内的锰元素较难稳定更多的镍,导致目前镍钴锰体系能量密度稍低,所以续航表现不如镍钴铝电池。但好处是,含锰三元体系热稳定性更佳,同时镍含量比例较少,因而作为动力电池更为安全。


镍钴铝NCA电池材料的技术壁垒高,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。


811电池渐成国内趋势,但还需要解决安全性问题


从能量需求看,NCA电池的确更有优势。不过,综合考虑制造工艺、成本、还有目前的技术条件,中国的电池企业当下主要还是集中在生产NCM。


在NCM电池中,按照镍钴锰三者含量的不同,NCM材料可分为NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等,其中后面的数字代表的是镍钴锰的比例。从行业趋势看,目前国内主流动力类正极材料是NCM523。


但是,由于电动汽车厂家对电池续航里程要求越来越高,国内的动力电池厂商也纷纷把重点投向高镍三元方向。因为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。而另一方面,而且作为稀有金属的钴价格不断上涨,高镍体系的NCM811将成为未来重要的发展方向。目前,NCM811材料技术日渐成熟,并开始逐渐释放产能,形成小批量试用。


行业数据显示,2018年一季度,国内三元材料产量31670吨,同比增长64.26%。其中常规NCM型号占比78%,NCM622型号占比14%,NCM811/NCA占比8%。其中NCM811产量大幅激增。由于车企和电池企业对于高镍三元材料的导入需求迫切,推进速度不断加快,今年一季度以来,NCM811材料已呈现出严重供不应求的状态。


可以说,在前几年高镍三元材料电池还处于个别厂家和学界的研发阶段,但从2016年开始,高镍三元电池的研发和生产已呈燎原之势。但问题也随之而来,三元材料中的镍含量越高,材料的稳定性越差,安全性越差。这个问题如何解决?


钜大特种电池工程研究院

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