三元锂离子电池的NCM与NCA路线之争

动力锂电池性能是决定电动汽车发展的限制性因素，现阶段由于动力锂电池续航能力不足、充电速度慢、成本偏高等问题制约了电动汽车普及发展，这也是让很多消费者望而却步的重要原因，动力锂电的性价比在很大程度上影响了电动汽车的市场普及程度。正极材料是动力锂电的核心关键材料，正极材料的能量密度高低与电动汽车的续航里程息息相关，而且其成本约占锂离子电池电芯成本的1/3，所以开发出高能量密度、长寿命、高安全、低成本的正极材料对动力锂电、电动汽车的规模化商用至关重要。

目前国内外动力锂电正极材料技术路线重要有3个流派：磷酸铁锂派、锰酸锂派、三元派（NCA/NCM）。其中磷酸铁锂作为正极材料的电池充放电循环寿命长，但其缺点是能量密度、高低温性能、充放电倍率特性均存在较大差距，且生产成本较高，磷酸铁锂离子电池技术和应用已经遇到发展的瓶颈；锰酸锂离子电池能量密度低、高温下的循环稳定性和存储性能较差，因而锰酸锂仅作为国际第1代动力锂电的正极材料；而三元材料因具有综合性能和成本的双重优势日益被行业所关注和认同，逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线。

在过去的2017年，我国的三元电池实现装车15GWh，占比44.71%，虽然略低于磷酸铁锂离子电池，但随着乘用车电动汽车的发力，可以预期它很快可以成为绝对第一。

不过，值得注意的是，我国的三元锂离子电池重要是NCM电池，而并非特斯拉上所使用的NCA三元锂离子电池，那么，这两者之间到底有何不同，未来的发展又将如何，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相同的，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，以铝（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，由于铝为两性金属，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，目前产量重要集中在日韩，我国量产较少。重要供应商有住友金属、日本化学产业株式会社和户田化学，韩国的Ecopro和GSEM也有少量产品销售。

NCA电池在我国还未能大量生产，重要的难点在于：

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，使得电池生产公司和终端产品用户对NCA电池的安全性心存顾虑，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。这对国内公司形成了很大的挑战。

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，假如要进一步提升能量密度，要不断在21700基础上做大体积，而这会对电池安全管理提出更大的挑战。基于这些原因，我国的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，松下与特斯拉联合推出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，关于NCA电池，还是有必要研发。