深度長文：為何鎳在高鎳三元材料中脫穎而出

2018年新能源汽車產(chǎn)量激增，硫酸鎳產(chǎn)量增加明顯，2018年1－5月新能源汽車產(chǎn)銷同比增長率都超過100％，在新能源汽車補(bǔ)貼新政過渡期內(nèi)表現(xiàn)依舊偏強(qiáng)。而作為電池的重要原材料的產(chǎn)量情況也增長明顯，同比增加了超過41％，整體行業(yè)欣欣向榮。

2018新能源汽車補(bǔ)貼政策總的來說，本次新能源汽車國家補(bǔ)貼政策是針對過去一年市場發(fā)生的變化作出的一系列相應(yīng)調(diào)控。在今年的補(bǔ)貼新標(biāo)準(zhǔn)引入了電池系統(tǒng)能量密度調(diào)整系數(shù)和車輛能耗調(diào)整系數(shù)，這些新加入的技術(shù)要求會推動廠商研發(fā)更高能量密度的電池、更高效的電控、更輕量化的車身。相應(yīng)的，預(yù)計今年的鋰電池正極材料中三元材料的使用增長率會得到進(jìn)一步提升，高鎳三元材料企業(yè)的產(chǎn)能逐步建設(shè)完成，后續(xù)對鎳需求也會進(jìn)一步增加！

電動汽車高鎳三元時代的到來已毋庸置疑，但你真的了解高鎳三元嗎？這次，SMM小編就帶大家來一探究竟！

何為三元正極材料？

三元材料是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，根據(jù)實際情況對鎳鈷錳的比例進(jìn)行配比。與磷酸鐵鋰和錳酸鋰相比較，三元材料能量密度明顯提升。當(dāng)前，經(jīng)過改進(jìn)的磷酸鐵鋰能量密度可以達(dá)到160Wh／kg；錳酸鋰能量密度在150Wh／kg左右；鎳鈷錳三元材料NCM中，隨著鎳含量的增加，能量密度也大幅增加，當(dāng)前國內(nèi)主流NCM還是NCM523／622體系，正在快速向NCM811體系切換，能量密度可以達(dá)到210Wh／kg；鎳鈷鋁三元材料NCA的能量密度在220－280Wh／kg，松下供給特斯拉的NCA能量密度能達(dá)到300Wh／kg，是國內(nèi)企業(yè)追趕的目標(biāo)。

三元前驅(qū)體的制備技術(shù)

硫酸鈷

電子級硫酸鈷的制備可通過除雜、還原、萃取、分離和結(jié)晶等工序制備。此外，常用的硫酸鈷制備方法還包括高溫合成法等。

硫酸鎳

鎳金屬的來源包括紅土鎳礦和硫化鎳礦，可通過濕法、火法、電解沉積法和電解精煉法得到硫酸鎳等鎳鹽。

硫酸錳

國內(nèi)硫酸錳的生產(chǎn)工藝主要包括高溫焙燒法、酸浸法和兩礦加濕法。高溫焙燒法主要針對于低品位的軟錳礦適合；酸浸法過程簡單，但生產(chǎn)成本高，容易對設(shè)備造成腐蝕；兩礦加濕法工序相對簡便，一定程度上降低了成本，是一種值得推廣的新工藝；此外，還有二氧化硫法、硫酸亞鐵法等也在使用。

三元電池的劃分

按照鎳鈷錳的比例，三元可以分為111、523、622、811等。NCM811電池則指三元鋰電池中正極材料的鎳鈷錳比例為811，也就是我們常說的高鎳電池。

高鎳電池為何脫穎而出？

鎳主要的作用是提升能量密度，高鎳意味著更高的能量密度以及更低的鈷含量，高鎳811電池的主要優(yōu)勢為增加續(xù)航又能大幅度降低成本，因而高鎳811的研發(fā)成為目前熱點。

當(dāng)前國內(nèi)普遍使用的三元鋰電池型號為523（鎳鈷錳比例為523），其能量密度可以達(dá)到160－200Wh／kg，少數(shù)企業(yè)可以生產(chǎn)NCM622型號電池，可達(dá)到230Wh／kg，而NCM811則可以達(dá)到280Wh／kg。

《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確規(guī)劃，到2020年，動力電池單體能量密度達(dá)到300Wh／kg以上，力爭實現(xiàn)350Wh／kg。到2025年，動力電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到350Wh／kg。

以現(xiàn)有的技術(shù)條件，磷酸鐵鋰和NCM622以下的正極材料是很難達(dá)到高能量密度的要求。如果要達(dá)到300Wh／kg以上的能量密度，縱觀當(dāng)下，NCM811三元電池成為必然選擇，這也是我國政府和行業(yè)鼓勵的方向。

除了政策推動高鎳811電池的發(fā)展，鈷成本的上漲也使得企業(yè)通過“降鈷增鎳”來緩解成本壓力。原材料鈷的持續(xù)吃緊，加上2017年以來其價格不斷上漲，讓電池生產(chǎn)商壓力山大。高鎳811正極材料里面鈷的比例較其他三元材料的鈷比例低，受到鈷價上漲的影響較小，價格也比鈷酸鋰價格低很多。各電池制造商開始將選材重心從鈷轉(zhuǎn)換到價格較為便宜、性能更為穩(wěn)定的鎳金屬。

高鎳電池制備挑戰(zhàn)？

新一代鋰離子電極材料中研究較多的主要是高鎳氧化物（放電比容量200－220Wh／kg）和富鋰氧化物（放電比容量250－300Wh／kg），主要特點是比容量和能量密度較高，高鎳系正極材料Li（NixM1－x）O2（x≥0．6）原材料成本較低、容量高，受到越來越多關(guān)注。

高鎳材料最大的缺點是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高溫性能較差，其表面顆粒極易發(fā)生如下現(xiàn)象層狀結(jié)構(gòu)－尖晶石結(jié)構(gòu)－非活性巖石的相變過程，引起容量、循環(huán)性能衰減。為了解決這一問題，可通過離子摻雜和表面包覆的方法抑制材料性能衰減。摻雜主要是使摻雜離子進(jìn)入晶格結(jié)構(gòu)中，取代原材料中的部分離子，減少Li＋／Ni2＋的混排，穩(wěn)固原材料結(jié)構(gòu)，提高循環(huán)過程中材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，改善材料的循環(huán)性。

選擇合適的包覆材料使表面涂層能提高材料的離子遷移率或電子導(dǎo)電率，抑制相變，增加材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少活性物質(zhì)中過渡金屬的溶解，還可除去HF，有利于電極表面形成固體電解質(zhì)界面膜（SEI），減少電極電阻和循環(huán)過程中副反應(yīng)發(fā)生及熱生成，從而顯著改善材料的循環(huán)壽命、倍率性能、可逆容量和首次庫侖效率。電動汽車行業(yè)的發(fā)展促進(jìn)了動力鋰電池的研究，越來越多的科研工作者逐漸認(rèn)識到NCA正極材料的衰減限制了動力鋰離子電池的應(yīng)用，已在材料改性延緩電化學(xué)活性衰減方面做了大量工作。

采用溶劑析出結(jié)晶法將FeF3包覆在NCA表面，F(xiàn)eF3包覆的NCA比未包覆的NCA具有更高的容量，0．2C倍率下未包覆NCA的初始放電比容量是，50次循環(huán)后容量保持率為95．3％，F(xiàn)eF3包覆后NCA的放電比容量為194．2mAh／g，經(jīng)50次循環(huán)后容量保持率為98．4％。

高鎳三元發(fā)展瓶頸

高鎳三元難度高，企業(yè)可能面臨分化

高鎳技術(shù)難度大，產(chǎn)業(yè)化需要重點關(guān)注殘堿量、燒結(jié)溫度、濕度、電解液配套等核心關(guān)鍵指標(biāo)。高鎳正極材料的容量主要由Ni2＋／Ni4＋氧化還原對貢獻(xiàn)，因此高鎳材料的容量整體隨著鎳含量的提高而增加，但同時高鎳材料也面臨諸多難點和問題，如循環(huán)性能和安全性能變差，殘堿含量增加以及需要配套的電解液等，其主要的問題如下

高鎳混排導(dǎo)致化學(xué)計量比材料合成困難

三元材料中的Ni2＋容易與Li＋產(chǎn)生混排效應(yīng)，高鎳材料中鎳含量越高，則Ni2＋含量也越高進(jìn)而導(dǎo)致混排越嚴(yán)重，形成非計量比材料，同時影響材料的循環(huán)和倍率性能。

高鎳導(dǎo)致正極材料表面殘堿量呈倍數(shù)級增長

鎳含量越高三元材料越容易與空氣中CO2、H2O反應(yīng)，在材料表面形成LiOH和Li2CO3，前者易與六氟磷酸鋰反應(yīng)生成HF，后者在高溫儲存時會產(chǎn)生嚴(yán)重氣脹，鎳含量越高殘堿呈放大倍數(shù)增加，因此從NCM523轉(zhuǎn)向622、811對殘堿的控制難度與從NCM333轉(zhuǎn)向523相比不可同日而語。

鎳含量越高 材料熱穩(wěn)定性和安全性變差

在商業(yè)化電解液中LiCoO2、LiNiO2和LiMn2O4三種材料充電至4．2V時熱分解溫度依次是LiMn2O4＞LiCoO2＞LiNiO2，放熱量依次是LiMn2O4＜LiCoO2＜LiNiO2，因此隨著鎳含量增加，熱分解溫度降低，放熱量增加，材料的熱穩(wěn)定性變差。此外，高鎳材料中Ni4＋含量更多且不穩(wěn)定，其受熱易分解并析出氧氣，當(dāng)熱量和CO2、O2在密閉電池內(nèi)部聚集到一定程度時，電池容易發(fā)生爆炸。

第1頁/共2頁   首頁   下一頁   上一頁   尾頁