動(dòng)力電池正極材料之爭(zhēng) 誰將笑到最后？

新能源汽車是汽車發(fā)展的方向，動(dòng)力電池是新能源汽車的心臟，其技術(shù)水平及產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)電動(dòng)汽車的規(guī)模化應(yīng)用意義重大。隨著動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)集中度的提升，以及技術(shù)路線的逐漸成熟，未來的動(dòng)力電池將向著更安全、更長(zhǎng)壽、充電速度更快的方向發(fā)展。

目前動(dòng)力電池正極材料技術(shù)路線有很多，主要圍繞著磷酸鐵鋰、三元材料、鈷酸鋰、錳酸鋰這四種，那么隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，哪一種正極材料技術(shù)路線在動(dòng)力電池領(lǐng)域更具有競(jìng)爭(zhēng)力呢？

1、磷酸鐵鋰

磷酸鐵鋰由于安全性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)，原材料資源豐富，不造成環(huán)境污染而在中國(guó)得到了以BYD為首的眾多動(dòng)力電池廠家的追捧。我國(guó)磷酸鐵鋰技術(shù)路線的成功是國(guó)外主流動(dòng)力電池廠家始料未及的。

磷酸鐵鋰優(yōu)點(diǎn)有很多，但缺點(diǎn)也很明顯，除了低溫下循環(huán)性能極差以外，最主要的缺陷是其導(dǎo)電率和振實(shí)密度低，其能量密度只有120-150wh/kg。2016年底國(guó)家出臺(tái)按能量密度進(jìn)行動(dòng)力電池的補(bǔ)貼，這可能會(huì)阻礙磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的發(fā)展，但磷酸鐵鋰在電動(dòng)大巴上的使用具有不可替代性，未來市場(chǎng)空間依舊廣闊。

目前采用磷酸鐵鋰的電池廠家有比亞迪、北大先行、深圳沃特碼、合肥國(guó)軒等。未來磷酸鐵鋰會(huì)朝著提高能量密度的方向發(fā)展，可以考慮采用石墨烯、碳納米管等添加劑來提高倍率容量，或者采用磷酸錳鐵鋰提高電壓，進(jìn)而提高15-20%的能量密度。

2、鈷酸鋰與鎳酸鋰

鈷酸鋰是最早進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的鋰電池正極材料，第一代商業(yè)化應(yīng)用的鋰離子電池就是SONY在1990年推向市場(chǎng)的鈷酸鋰鋰離子電池，隨后在消費(fèi)類產(chǎn)品中得到大規(guī)模應(yīng)用。

但是鈷酸鋰最大的缺點(diǎn)就是質(zhì)量比容量低，理論極限是274mAh/g，出于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性考慮，實(shí)際應(yīng)用中只能達(dá)到137mAh/g。同時(shí)由于地球上鈷元素的儲(chǔ)量比較低，因此導(dǎo)致鈷酸鋰的成本偏高，難以在動(dòng)力電池領(lǐng)域大規(guī)模普及。

與鈷酸鋰相似，理想的鎳酸鋰為α-NaFeO2型六方層狀結(jié)構(gòu)，鎳酸鋰正極材料理論容量為275mAh/g，實(shí)際可達(dá)180-200mAh/g，平均嵌鋰電位約為3.8V。相對(duì)于鈷酸鋰來說，鎳的儲(chǔ)量比鈷大，價(jià)格也相對(duì)便宜，但是鎳酸鋰合成困難，循環(huán)性能差，純相鎳酸鋰實(shí)用性不大。

3、錳酸鋰

錳酸鋰由于與目前普遍使用的鈷酸鋰、三元材料性質(zhì)非常接近，其電池生產(chǎn)工藝非常成熟，動(dòng)力電池生產(chǎn)線與現(xiàn)有生產(chǎn)線基本兼容，特別日韓擬采用18650型電池組合成動(dòng)力電池模塊的技術(shù)思路，使錳酸鋰動(dòng)力電池生產(chǎn)更容易實(shí)現(xiàn)。

錳酸鋰最大的缺點(diǎn)就是高溫循環(huán)性能較差，但相較于磷酸鐵鋰，它也有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

（1）錳酸鋰的體積比能量?jī)?yōu)于磷酸鐵鋰

錳酸鋰的容量比磷酸鐵鋰低約25%，但其電壓比磷酸鐵鋰高15%，且錳酸鋰的壓實(shí)密度高約40%，因此錳酸鋰的體積比能量高于磷酸鐵鋰25-30%。

（2）錳酸鋰的一致性優(yōu)于磷酸鐵鋰

由于錳酸鋰產(chǎn)品不含碳，因此產(chǎn)品的性能參數(shù)穩(wěn)定，一致性好對(duì)動(dòng)力電池生產(chǎn)十分有利。

目前日本桑尼，我國(guó)中信國(guó)安、蘇州星恒等企業(yè)都在研發(fā)生產(chǎn)錳酸鋰動(dòng)力電池，未來在低速電動(dòng)車以及續(xù)航里程不高的電動(dòng)車等領(lǐng)域?qū)⒂胁诲e(cuò)的市場(chǎng)。

4、三元材料

三元材料主要有鎳鈷鋁酸鋰（NCA）和鎳鈷錳酸鋰（NCM）兩種，其中NCA是目前商業(yè)化正極材料中比容量最高的材料。

鎳鈷鋁酸鋰（NCA）

因?yàn)镃o和Ni具有相似的電子構(gòu)型，相似的化學(xué)性質(zhì)，離子尺寸差異也很小，鎳酸鋰和鈷酸鋰可以發(fā)生等價(jià)置換形成連續(xù)固溶體并保持層狀的α-NaFeO2結(jié)構(gòu)，為了得到更加穩(wěn)定的高鎳固溶體材料，除了加入鈷以外，添加Al可以進(jìn)一步提高材料的穩(wěn)定性和安全性，這樣就形成了鎳鈷鋁酸鋰三元材料。

盡管NCA具有很高的比容量，但其缺點(diǎn)也很明顯，未來發(fā)展趨勢(shì)是開發(fā)高鎳低鈷NCA來降低成本提高容量；以及研發(fā)高壓實(shí)NCA來提高體積比；另外采用包覆工藝降低NCA對(duì)濕度的敏感性。

目前美國(guó)特斯拉采用的是NCA正極材料動(dòng)力電池，技術(shù)處于領(lǐng)跑地位，日本松下采用NCA和硅碳負(fù)極組合制成的18650型電池容量高達(dá)3500mAh,循環(huán)壽命2000次以上；種種跡象表明，NCA正極材料在動(dòng)力電池應(yīng)用中具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。

鎳鈷錳酸鋰（NCM）

鎳鈷錳酸鋰（NCM）三元材料的比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性好、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)是毋庸置疑的，但它同樣具有平臺(tái)相對(duì)較低，首次充放電效率低的缺點(diǎn)。

目前采用鎳鈷錳酸鋰（NCM）的主要有韓國(guó)LG、浙江微宏動(dòng)力以及珠海銀隆，在未來，NCM發(fā)展趨勢(shì)主要是制造低鈷層狀三元材料，主要原因是鈷是稀缺資源，減少用量可降低成本；另一個(gè)方向就是發(fā)展高鎳層狀三元材料，雖然高鎳體系合成難度大，易發(fā)生鋰鎳混排，但是鎳含量的增加可以顯著提高克容量，高鎳體系是動(dòng)力電池的理想材料之一。除此之外，NCM同樣要注意材料吸水的問題。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)有些廠家采用三元NCM/鈦酸鋰負(fù)極組合的技術(shù)路線，避免了碳負(fù)極可能存在的鋰枝晶生成所造成安全性和循環(huán)性差的問題。采用此模塊生產(chǎn)的動(dòng)力電池具有安全性好，充放電倍率高，循環(huán)壽命長(zhǎng)（可達(dá)5000-10000次）的特點(diǎn)，因而在動(dòng)力電池領(lǐng)域備受關(guān)注。

總結(jié)

政策所趨，未來動(dòng)力電池行業(yè)市場(chǎng)廣闊，三年內(nèi)新能源汽車用動(dòng)力電池市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)率可達(dá)50%左右，但是整個(gè)電池行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，行業(yè)的整合正在持續(xù)進(jìn)行，動(dòng)力電池市場(chǎng)需求將進(jìn)一步向優(yōu)勢(shì)企業(yè)集中。

而在技術(shù)路線方面，目前商用鋰離子動(dòng)力電池正極材料主要有錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元材料(NMC)，每種材料都有自己的優(yōu)勢(shì)和缺陷，有自身的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)需求。其中電動(dòng)工具、HEV和電動(dòng)自行車是LMO的主要應(yīng)用領(lǐng)域，新能源公共交通大巴、出租車將仍以LFP為主。在未來，動(dòng)力電池領(lǐng)域最有可能出現(xiàn)的局面將是磷酸鐵鋰和三元材料并駕齊驅(qū)。