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三元材料电池的技术水平与特点有哪些?

相比于传统燃油车,新能源汽车的续航里程、充电时间、安全性能、电池寿命、电池成本等问题,都是制约消费者购买力及新能源汽车普及程度的关键因素。动力电池技术性能与新能源汽车的性能的对应关系主要有6点:

1.能量密度——能量密度越高,新能源汽车续航里程越长;

2.功率密度——功率密度越高,新能源汽车加速、爬坡性能越好;

3.高低温性能——高低温适用范围越广,新能源汽车适用的温度范围越广;

4.循环寿命——循环寿命越长,新能源汽车的动力电池使用寿命越长;

5.安全性能——新能源汽车安全的决定性因素;

6.倍率性能——充电时间越短,整车动力性能越好。

动力电池性能直接决定新能源汽车性能,动力电池性能的提升依赖于技术进步,持续的技术进步驱使动力电池能量密度不断提升、产品性能不断优化、生产成本不断降低、综合性价比不断提高。

各国政府主管部门通过制定行业发展技术路线图、新能源汽车补贴政策等,促使动力电池行业加快技术进步和产业升级。

高能量密度、安全性能优异的动力电池是各国政府、领先电池生产企业竞相布局、重点研发的方向。日本政府在 2009 年提出“2020 年,纯电动汽车用动力电池电芯能量密度达到 250Wh/kg,2030 年达到 500Wh/kg”的研发目标;美国先进电池联盟在 2015 年提出“为安抚消费者对电动汽车的里程焦虑,2020 年电芯能量密度由原来的 220Wh/kg 提升至 350Wh/kg,系统能量密度达到 235Wh/kg”。根据我国 2017 年发布的《汽

车产业中长期发展规划》,到 2020 年,新能源汽车年产销达到 200 万辆,动力电池单体电芯能量密度达到 300Wh/kg 以上,力争实现 350Wh/kg,系统能量密度力争达到 260Wh/kg、成本降至 1 元/Wh 以下;到 2025 年,新能源汽车占汽车产销 20%以上,动力电池系统能量密度达到 350Wh/kg。

提高能量密度的关键在于正极材料。正极材料决定了锂离子电池的主要性能。按正极材料划分,锂离子电池可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料等技术路线。其中,三元材料是指含镍钴锰三种元素或镍钴铝三种元素组成的正极材料,即镍钴锰酸锂(以下简称“NCM”)或镍钴铝酸锂(以下简称“NCA”)。在动力电池领域,经历了由钴酸锂、锰酸锂转向磷酸铁锂、三元材料为主的发展历程。

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图片来源:孚能科技招股说明书

受限于磷酸铁锂电池的能量密度瓶颈(尤其是体积能量密度低,导致较难应用于空间狭小的乘用车),为了实现动力电池高能量密度、新能源汽车长续航里程以及低配置成本等目标,三元材料已成为动力电池行业的技术发展主流路线之一,尤其是在性能要求更高的新能源乘用车和专用车领域。

根据三元材料中镍、钴、锰元素含量的不同,NCM 材料又可分为 NCM523、NCM622 、NCM811 等 ,NCM523 即 指三元材料的化学组成为Li(Ni0.5Co0.2Mn0.3)O2。NCA 则由铝元素替代了锰元素。三元材料的技术优势在于综合 LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2 或 LiAlO2 三种材料的优点,使得 Ni、Co、Mn 或 Al 发挥协同效应。Ni 主要作用为提高能量密度;Co 主要作用为稳定三元材料层状结构,提高材料的电子导电性和改善循环性能;Mn 主要作用为降低成本,改善材料的结构稳定性和安全性。不同的元素配比可以获得不同的电极特性。

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图片来源:孚能科技招股说明书

综合技术进展、工艺制造等因素,NCM523 是当前最广为使用的三元材料。国内外动力电池企业正加快研发 NCM811 或 NCA 等高镍正极材料三元动力电池产品。

高镍三元材料电池的研发和产业化具有一定的壁垒。从技术角度,随着镍比例的上升,镍离子与锂离子的混排效应更加明显,需要通过电池材料的整体配方设计等,解决混排效应带来的循环寿命下降、热稳定性变差等问题;从工业生产角度,高镍三元材料在前驱体烧结和材料生产环境要求上都极为苛刻,有效产能释放难度极高,对动力电池生产环节要求也更高。另外,随着镍元素的提升,正极材料更为活泼,对动力电池安全性影响更大。因此,导入高镍三元材料对动力电池企业的技术实力和工艺制造能力要求更高。

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