動(dòng)力電池被迫進(jìn)入“811時(shí)代” 安全性將走向何方

為什么是811?這是作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源的三元鋰電池的三元材料中,鎳、鈷、錳三種金屬材料的比例。隨著三元鋰電池的產(chǎn)量日漸擴(kuò)張,三種較稀有的金屬供應(yīng)壓力也越來(lái)越大,加之政策對(duì)電池能量密度要求的日漸提升,“811時(shí)代”悄然而至。

三元材料的各自作用,呼喚錳的回歸

在論述開(kāi)始之前,先跟大家介紹一下三元鋰電池中三元材料的作用——電池正極,準(zhǔn)確地說(shuō)是作為電池正極的前驅(qū)體(可簡(jiǎn)單理解為原料)在整個(gè)電池供應(yīng)鏈中存在。在電池內(nèi)部充滿(mǎn)鋰離子的儲(chǔ)能介質(zhì)鋰鹽與正極三元材料不斷產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)充電或放電。在發(fā)明三元材料之前,鋰電池正極的材料通常為鈷酸鋰(LiCoO2),而后因鋰電池單體容量不斷加大,為安全起見(jiàn),正極材料逐漸演化為鎳鈷錳酸鋰【Li(NiCoMn)O2】。三種活潑性不同的金屬組成的電池正極共同作用自然會(huì)引發(fā)更多“故事”。而三元鋰電池的正極材料從鎳、鈷、錳三種金屬比例為1:1:1演化為4:2:4,再到5:3:2、6:2:2,以至于目前即將流行的8:1:1。鎳的含量逐漸增加的現(xiàn)象,在電池能量密度提升的同時(shí),自然會(huì)讓電池的安全性與循環(huán)次數(shù)變?yōu)闃I(yè)界熱議的話題。

花開(kāi)兩朵,各表一枝。三元材料的比例按其氧化還原反應(yīng)的強(qiáng)烈程度可分為(鎳、錳)等量型與不等量型。等量型的典型代表為鎳、鈷、錳三種金屬比例為1:1:1和4:2:4的兩種形式。在電池充放電過(guò)程中,+4價(jià)的錳離子不變價(jià),在材料中起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用,+2價(jià)的鎳離子變?yōu)?4價(jià),失去兩個(gè)電子,在穩(wěn)定之余使電池的能量密度有了一定的提升,但這種方式能量密度的提升較為有限,以被業(yè)界摒棄。

不等量型,就是目前深受業(yè)界追捧的,三種材料比例為5:3:2、6;2:2甚至8:1:1的三元材料比例。鎳含量較高的三元材料在電壓平臺(tái)低于4.4V時(shí),一般認(rèn)為主要是鎳元素按+2或+3價(jià)參與氧化還原反應(yīng)后,化合價(jià)升高到+4價(jià)。當(dāng)電壓高于4.4V時(shí),+3價(jià)的鈷離子參與反應(yīng)變?yōu)?4價(jià),+4價(jià)的錳離子不參加反應(yīng),起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)作用。

圖為動(dòng)力電池三元材料從等量型向不等量型發(fā)展的變化(中國(guó)質(zhì)量新聞網(wǎng)汽車(chē)頻道制圖)

通過(guò)分析不同三元材料比例下電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng),目前深受業(yè)界追捧的三元材料比例的弊端呼之欲出——錳作為三元材料中的“鎮(zhèn)定劑”,起著穩(wěn)定各離子“軍心”的作用。錳在三元材料中的比例降低,意味著安全性降低。而鎳的比例增高,則帶來(lái)了相對(duì)激烈的電化學(xué)反應(yīng),使電池能量密度提升的同時(shí)增加了一定不穩(wěn)定因素,從而增加了電池自燃的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),備受消費(fèi)者關(guān)注的電池循環(huán)次數(shù)問(wèn)題,也會(huì)因三元材料中鎳的含量提升而大大減少,也就意味著電動(dòng)汽車(chē)的整個(gè)生命周期中,需要面臨更多次的電池更換。在電池能量密度大幅提升的背后,則反應(yīng)出三元鋰電池發(fā)展過(guò)程中深深的無(wú)奈。

政策與供應(yīng)鏈強(qiáng)力引領(lǐng),“811時(shí)代”被迫到來(lái)

2018年年初,四部委發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《通知》)。《通知》要求,2018年補(bǔ)貼系數(shù)與能量密度掛鉤。乘用車(chē)想要拿到最高倍補(bǔ)貼系統(tǒng)能量密度需>140Wh/kg;非快充類(lèi)純電動(dòng)客車(chē)要獲最高倍補(bǔ)貼同樣需要>140Wh/kg。而2019年,調(diào)整后的《通知》顯示,可享受1倍補(bǔ)貼車(chē)型裝備的電池能量密度限制需不低于160Wh/kg。而這一限值在2020年將達(dá)到260Wh/kg!在提升電池能量密度方面,各電池廠商在對(duì)于儲(chǔ)能介質(zhì)與其他材料無(wú)計(jì)可施的情況下,只能逐步提高正極材料中鎳的含量。政策的強(qiáng)力指導(dǎo)作用,成為“811時(shí)代”到來(lái)的最重要因素。

另一方面,上游供應(yīng)鏈的倒逼作用,也是“811時(shí)代”被迫到來(lái)的重要因素。近期國(guó)際期貨市場(chǎng)上,鎳的成交價(jià)格在10萬(wàn)元人民幣/噸上下徘徊,鈷的成交價(jià)格則飆升至25.5-28萬(wàn)元人民幣/噸,在2017年5月甚至達(dá)到人民幣50.8萬(wàn)元人民幣/噸。錳雖未作為期貨交易品種上市,但據(jù)多方了解,其現(xiàn)貨出廠價(jià)在1.3萬(wàn)元人民幣/噸。各材料間巨大的價(jià)格差異,與其在電池內(nèi)部的作用差異,讓動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)同樣在供應(yīng)鏈的裹挾下,被迫走進(jìn)“811時(shí)代”。

編后記

國(guó)內(nèi)首款“NCM811”(指三元鋰電池鎳、鈷、錳三種金屬材料的比例為8:1:1)動(dòng)力電池已將蔚來(lái)ES8的標(biāo)稱(chēng)續(xù)航里程擴(kuò)展至425km,而國(guó)內(nèi)各主流動(dòng)力電池廠商紛紛宣稱(chēng)將投產(chǎn)“NCM811”動(dòng)力電池,這些都標(biāo)志著作為世界唯一成熟電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的我國(guó)汽車(chē)市場(chǎng),正式邁入動(dòng)力電池“811時(shí)代”。在動(dòng)力電池廣泛應(yīng)用的今天,電池技術(shù)的發(fā)展是否應(yīng)僅重視能量密度的提升,弱化了安全性與電池循環(huán)次數(shù)?這將是“811時(shí)代”關(guān)注動(dòng)力電池發(fā)展各方在這一階段討論的焦點(diǎn)話題。近期頻發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)自燃事件,也給各生產(chǎn)企業(yè)敲響警鐘。在此,在“811時(shí)代”來(lái)臨時(shí),電池的安全性提升才應(yīng)該是電池技術(shù)發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù),否則再高的電池性能,都會(huì)成為“空中樓閣”。