三元锂电池:到底是哪三元?

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近日,呆湾的“专家”在某节目上大放阙词,嘲讽“宁德时代不会生产三元锂电池,特斯拉为了中国市场被迫使用落后的磷酸锂电池技术”。

继“茶叶蛋"和“涪陵榨菜”之后,台湾“专家”的这番评论再次引起热议。吃瓜群众表示,“专家”很可能是为了碰瓷骗电池,纷纷提醒宁德时代不要上当。图片:观察者网

被批为落后技术的磷酸铁锂表示不服,龙头大哥宁德时代更加不服,立马“请”出了朋友们来评理。

各配套了宁德时代电池的车企官博也纷纷仗义执言,并顺手打起了自家的广告。

宁德时代在2019年无论磷酸铁锂还是三元锂电池,均在国内所有排名第一。事实上,论出货量宁德时代还是全球第一。

虽然“专家”对宁德时代的认知很滑稽,但是他说到的特斯拉的优势在于其装载的三元锂电池,也有一定道理。卓越的三元锂电池在帮助特斯拉打造全球第一电动车品牌中扮演了重要角色。今天,就来聊一聊“专家”口中的最强电池——三元锂电池。

何为“三元"

三元锂电池(Ternary Lithium Battery),是指以镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂为正极材料,以石墨为负极材料,以六氟磷酸锂为主的锂盐作为电解质的锂电池。

三元锂电池的构成。

锂电池的常用命名方式主要有两种,一是以电池中正极元素来命名,二是以电池最核心的反应机理和特征来命名(如柔性电池、固态电池)。三元锂电池,采用的就是以其正极材料来命名,因为其正极材料包含了镍、钴、锰/铝三种金属元素,因此得名“三元”。需注意的是,钛酸锂电池是个例外,虽然其正极也有三种金属元素,但其负极是钛酸锂而不是一般的石墨,所以不属于一般的三元锂电池。

取一个琅琅上口、易于传播的好名字非常重要。如果BMW不叫“宝马”,而叫“巴伐利亚发动机制造厂股份有限公司",估计在华销量要减一半。

其正极材料中,镍主要作用是提升电池的体积能量密度,是提升续航里程的主要突破口。钴可以抑制阳离子的混排,从而提高起到提升稳定性和延长电池的寿命的作用,此外,其也决定了电池的充放电速度和效率(倍率性能)。锰或铝的作用在于降低材料成本,并且可以提高电池的安全性和稳定性。

圆柱型三元锂电池。

两种路线:NCM和NCA

目前,动力三元主要分为镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两条技术路线。

NCM和NCA对比。图片:电池中国

两条路线上,中日韩企业有所区别。中国企业以NCM为主(如CATL)、日本企业主要以NCA为主(如松下),韩国企业为NCM(南京LG)+NCA(三星SDI、韩国LG)

国内新能源汽车主要配套NCM电池,以方形和软包为主,从早期的镍钴锰比例5:2:3逐渐发展为高镍体系的8:1:1,成本更低、能量密度更高。以宁德时代的拳头产品NCM811为例,电芯能量密度可达240Wh/kg。

2019年,在动力电池领域,宁德时代的NCM811出货就达2GWh,目前已经为宝马X1、蔚来ES6、小鹏P7、合众U、广汽AionS等众多新车型提供配套装机。图片:宁德时代官网

相比之下,NCA的性能更加优越。松下生产的圆柱型NCA18650、21700主要供应特斯拉,系统能量密度最高甚至达到300Wh/kg。

但是,NCA的安全性问题值得考量。NCA在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。

三星SDI近日宣布将扩建其匈牙利工厂,采用堆叠工艺生产方形NCA电池,取代之前的卷绕方式,以匹配BMW的iNext订单。图片:汽车电子设计

除此以外,造成国内动力NCA发展缓慢的,一方面是NCA电池的制造工艺要求更高,如生产环境需控制湿度10%以下,另一方面NCA材料的主要供应商为日韩企业,如住友金属,国内企业采购的价格较贵。

目前高镍体系的NCM811性能上和NCA差距不大,但成本则低不少,综合来看性价比更高。因此,在国内新能源车企想方设法降低成本的大趋势下,价格永远是不可忽视的重要因素。

高端如特斯拉,依然在不断寻求降本方案。根据续航里程变化的推测,目前国产化后的后驱版Model 3的动力电池已更换为南京LG的NCM811,而非原本的松下NCA。图片:特斯拉官网

三元的未来

相比于磷酸铁锂电池,无论是NCM还是NCA的三元锂电池都有许多特出的优势。

电压平台更高,比容量更大。在同等的尺寸条件下,铁锂电池能装10AH的,三元锂电池通常能装到15AH以上。这意味着,如果使用能量密度更低的铁锂电池,会占用更多的空间,且严重车身轻量化,长续航的乘用车几乎不可接受。

耐低温性能更好。低温条件下(气温低于-10℃以下),磷酸锂电池衰减得非常快,经过不到100次充放电循环,电池容量将下降到初始容量的20%,对于在北方使用受限。

三元在低温性能、过充过放性能、能量密度、体积上优于磷酸铁锂。图片:汽车动力总成

当然,三元锂电池也存在一定短板。

如热稳定性较差,300℃左右就开始分解,三元锂材料的化学反应更加剧烈,会释放氧分子,在高温作用下电解液迅速燃烧,发生热失控。

因此在2016年初,工信部曾禁止新能源客车配套三元电池。

目前发生的新能源车自燃三元的比例较大。2020年的电动汽车百人会,安全问题是其中一个重要议题。图片:中国经济网

为应对三元锂电池的安全性问题,更需要厂商在厂商在过充保护(OVP)、过放保护(UVP)、过温保护(OTP)、过流保护(OCP)上多下功夫。

成本,成本,成本,是另一个大问题。三元锂电池正极因为含有贵金属,价格相对磷酸铁锂要高不少。而新能源汽车发展带来的需求激增,钴的价格已经飙升至36万元/吨(3月5日价)。因此,三元锂电池的一个重要革新方向,就是不断升镍降钴,镍钴锰比例从532到622再到811,甚至再到将来的“无钴”。

去年7月,长城汽车旗下蜂巢能源首发全球首款无钴电池,宣传再将2020年三季度可量产。

从2020年工信部新能源汽车推荐目录来看,配套三元电池的新能源汽车仍占多数。而随着如CTP技术的应用、低钴技术的发展、NCA价格下降,成本降低、性能提升的三元锂电池在市场更加具有竞争力。相信在未来的一段时间内,三元锂电池仍是新能源乘用车的主流选择。

来源:第一电动网

作者:走近新能源

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