三元锂电池的NCM与NCA路线之争

发布于：2018/10/13 15:18:49 | 795 次阅读

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　　三元锂电池相比与磷酸铁锂电池，它拥有更高的比能量和比功率，更符合乘用车的需求，它将会成为动力电池尤其是乘用车领域的主要电池类型。在过去的2017年，中国的三元电池实现装车15GWh，占比44.71%，虽然略低于磷酸铁锂电池，但随着乘用车电动车的发力，我们可以预期它很快可以成为。
　　不过，值得注意的是，我们国家的三元锂电池主要是NCM电池，而并非特斯拉上所使用的NCA三元锂电池，那么，这两者之间到底有何不同，未来的发展又将如何，我们一起来简单了解下。
　　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一样的，都是镍和钴，只有一个不同，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，电池的比能量需要更高，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Al（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Al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。其中，Toda主要供应日本AESC和韩国LGC，Sumitomo主要供应松下和PEVE，韩国的Ecopro对应客户为SDI。
　　NCA电池在中国还未能大量生产，主要的难点在于：
　　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，使得电池生产企业和终端产品用户对NCA电池的安全性心存顾虑，需要从电芯设计、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。这对国内企业形成了很大的挑战。
　　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，如果要进一步提升能量密度，需要在21700基础上不断地做大体积，而这会对电池安全管理提出更大的挑战。基于这些原因，中国的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，小电查阅了特斯拉的相关资料发现，松下最近与特斯拉联合推出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的量产锂离子电池了。这个数字，远远高出国内使用率的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的NCM811电池的能量密度水平，即单体250Wh/kg、系统200Wh/kg的水平。所以说，对于NCA电池，还是有必要研发，好在国内的电池企业大多数在此方面已经有所动作，只是看什么时候能够突破技术壁垒，形成量产能力。
　　NCM与NCA都是高镍的三元锂电池，的优势就是比能量高，能够为车辆提高更加充足的电量。假如但从能量需求看，NCA电池似乎还是更有优势，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。但几乎所有大型的电池企业对于NCA都在积极研发，可以预期，中国未来一定能够突破日韩的技术壁垒，大规模量产NCA电池。而NCM与NCA电池会同时成为三元锂电池的主要构架。

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