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三元锂电池中“811”争论点究竟是什么?

日期:2020-09-10    来源:汽车预言家  作者:李响

国际新能源网

2020
09/10
13:14
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关键词: 新能源汽车 动力电池 磷酸铁锂

近日,新能源汽车领域对于宁德时代是否放弃NCM811路线的讨论仍在发酵,虽然宁德时代官方已经正面回应“短期内811仍将作为宁德时代的主攻战略”,但这并未能平息外界的争论。

多家国际机构预测,高镍三元材料电池将在未来几年中成为动力电池的主力,能量已经迈上300Wh/kg的台阶,未来随着降低钴含量、提升镍含量,能量密度还将进一步增长。在全球电动化趋势下,动力电池行业对高镍三元电池呼声越来越高,电池能量密度、循环寿命、成本控制等问题成为电池生产商们关注的核心。

高镍电池路线究竟有没有问题?电池安全问题该如何解决?谁才是未来动力电池的主导力量?已经成为外界不解所在。

1、高镍路线究竟有没有问题?

最新电池数据显示,2020年1-7月,我国动力电池装车量累计22.5GWh。在市场中商业化比较充分的磷酸铁锂、钴酸锂、锰酸锂、三元材料四种电芯路线中,三元电池装车量累计15.9GWh,占总装车量70.6%;磷酸铁锂电池装车量累计6.5GWh,占总装车量28.8%。

可以发现,三元材料电池已经占据动力电池装车的绝对份额。什么是三元材料?以宁德时代811为例,即正极材料中为镍钴锰,同时含量比例为8:1:1的三元锂电池。除了NCM811之外,目前市场还有以NCM523(镍钴锰比例5:2:3)和NCM622(6:2:2)为代表的三元锂电池,都是电池厂的主流路线。

上述成分的不同点在于镍含量高低,一般来讲,镍可以提高材料活性,从而提高能量密度,这意味着镍含量越大,电池性能越好。在实际应用中,搭载NCM811电池的车型系统能量密度可以达到170Wh/kg以上,对应续航里程可以接近700KM。因此,市面上根据车型级别对电池种类进行细分,NCM811成为续航700KM以上电动车的首选,NCM523则供应500-700KM车型。

当然,不能否定磷酸铁锂的市场空间。对于当下环境中,磷酸铁锂安全性更好,电池寿命更长、车型也更加耐用,车企更容易向消费者让渡价值,因此磷酸铁锂更加适用于城市公交用途,同时也适用于500KM的纯电动车型,在储能层面,磷酸铁锂也更具优势。

相关数据显示,2019年全年高镍电池装机量已经突破3GWh,相关机构预测,随着宝马、大众、通用等多家汽车制造商宣布导入高镍电池,未来高镍电池的市场需求还将进一步增长。在此背景下,韩国电池企业SK创新已准备好生产NCM 9/0.5/0.5电池,与此同时,LG、三星和松下等日韩电池企业也在加快其无钴电池开发量产进程,其中,LG将在2021年向通用提供90%镍的三元锂电池。

除了市场导向外,三元材料中钴成本的上涨也推动企业通过“降固增镍”的方式缓解成本压力。自2017年以来,钴原料价格不断上涨,目前,国内硫酸钴、氯化钴成交价格在5.4万-6.6万元/吨,电解钴均价更是曾高达67.4万元/吨。按照行业人士说法,无钴叠片电池比811在电芯层级的成本价格要低约8%-10%。综合来看,高镍电池路线并没有问题。

2、电池安全配套是多方协同的事情

由于镍的比重越高,对应电池的能量密度越高,电池续航得以提升外。镍作为金属活性相对较高的元素之一,意味着比重越高,电池的稳定性和安全性就越差。因此,811电池的配套主被动安全方案,也是对整个供应链也是一次巨大的挑战。

在行业人士看来,高镍正极必须搭配技术壁垒极高的硅碳负极、陶瓷隔膜以及高电压电解液等配套材料才能充分发挥高能量密度的优势。国家新能源汽车创新工程专家组组长王秉刚在接受记者采访时表示:“对于电动车而言,要考虑的是整车安全性架构,通过传感器、电控系统、绝缘材料、更加坚硬的外壳避免热失控。如今,新能源车已经400万辆,市场推广程度证明三元材料的电池是安全的,引发电动车起火的具体原因也不能完全佐证就是三元材料的原因。”

业界不断反思安全问题,盲目追求高能量密度一度成为众矢之的。但新能源车安全事故主要是由热失控引起,热失控不仅仅是结果,原因也错综复杂,事故源头难以明确,安全性问题应得到高度重视。中国科学院院士欧阳明高曾介绍,电动汽车动力电池的安全包括本征安全、被动安全、主动安全。”也正如王秉刚所说,400万市场容量已经证明电池本征安全已经逐步完善,因此在被动安全和主动安全环节,依然还有很大的改善空间。

如何解决电池组的被动安全和主动安全问题也是行业内面临的巨大挑战。随着镍含量的提高,正极材料的稳定性随之下降,循环充放电的容量损失和高温环境容量加速衰减。对此中国动力电池创新联盟副秘书长王子冬提出,电池组充电时的安全管理是关键,特别是在快速充电时,电池组内电池的差异加大,没有完善的电池成组安全性管控和热管理技术,电池的安全性和长寿命循环就无法保证。

目前,减少电极的厚度、改变电池结构、以及更适合快充的材料选择是动力电池领域加速探索的版块,但从成本角度来看,上述改变都将增加动力电池的生产成本,与此同时,降低能量密度,也会降低动力电池系统的寿命,因此,电池安全问题不能仅停留在对于材料选择层面的讨论,更需要综合行业的力量,从整体考虑进行优化。“多方协同完善是动力电池良性发展的根本”,王子冬如此向记者说到。与此同时,包括欧阳明高在内的多位业内人士都认为,可以在主动安全方面引入人工智能、大数据、云平台,为提升电池管理、电池预警、电池充电控制和电池寿命预测与评估的技术水平,随着应用推广,整车厂和电池厂更多数据的积累,有利于安全预警技术的进一步完善。

3、高镍三元锂拥有更大提升空间

可以肯定的是,三元材料电池对于新能源车来讲,确实提升了很强的性能。从最初NEDC 300KM续航到如今NEDC 650KM续航里程,三元材料电池的提升作用显而易见。

清华大学汽车工程开发研究院常务副院长、汽车安全与节能国家重点实验室副主任宋健在接受记者采访时表示:“从材料看,磷酸铁锂电池目前的能量密度已经接近其物理极限,从长远来看,高镍三元锂更适宜长久发展。”

记者通过梳理三元锂与高镍三元锂差异,同时结合专业人士观点后发现,对于动力电池安全性问题,是可以通过“软手段”解决的。目前,从全球电池企业以及整车制造企业推进“无钴电池”研发进程来看,作为三元材料中最不稳定的钴,是可以被其他材料替代的。通过降低钴的比例,提升镍含量,将来完全可以达到800km、1000km续航。

相比于130℃结构崩塌的钴而言,锂和锰、铝拥有更高宽容度。虽然从某种程度上来讲,业内对于三元材料电池的使用趋于谨慎,但不变的是,高性能始终是电动车战胜燃油车的核心。与此同时,需要注意的是,作为头部电池企业的宁德时代并非只走NCM811一条技术路线,同时也透露下一代将瞄准无金属电池,也就是没有镍钴的锂电池方向。


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