三元材料電池的技術(shù)水平與特點有哪些？

相比于傳統(tǒng)燃油車，新能源汽車的續(xù)航里程、充電時間、安全性能、電池壽命、電池成本等問題，都是制約消費者購買力及新能源汽車普及程度的關(guān)鍵因素。動力電池技術(shù)性能與新能源汽車的性能的對應關(guān)系主要有6點

1．能量密度——能量密度越高，新能源汽車續(xù)航里程越長；

2．功率密度——功率密度越高，新能源汽車加速、爬坡性能越好；

3．高低溫性能——高低溫適用范圍越廣，新能源汽車適用的溫度范圍越廣；

4．循環(huán)壽命——循環(huán)壽命越長，新能源汽車的動力電池使用壽命越長；

5．安全性能——新能源汽車安全的決定性因素；

6．倍率性能——充電時間越短，整車動力性能越好。

動力電池性能直接決定新能源汽車性能，動力電池性能的提升依賴于技術(shù)進步，持續(xù)的技術(shù)進步驅(qū)使動力電池能量密度不斷提升、產(chǎn)品性能不斷優(yōu)化、生產(chǎn)成本不斷降低、綜合性價比不斷提高。

各國政府主管部門通過制定行業(yè)發(fā)展技術(shù)路線圖、新能源汽車補貼政策等，促使動力電池行業(yè)加快技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。

高能量密度、安全性能優(yōu)異的動力電池是各國政府、領(lǐng)先電池生產(chǎn)企業(yè)競相布局、重點研發(fā)的方向。日本政府在 2009 年提出“2020 年，純電動汽車用動力電池電芯能量密度達到 250Wh／kg，2030 年達到 500Wh／kg”的研發(fā)目標；美國先進電池聯(lián)盟在 2015 年提出“為安撫消費者對電動汽車的里程焦慮，2020 年電芯能量密度由原來的 220Wh／kg 提升至 350Wh／kg，系統(tǒng)能量密度達到 235Wh／kg”。根據(jù)我國 2017 年發(fā)布的《汽

車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，到 2020 年，新能源汽車年產(chǎn)銷達到 200 萬輛，動力電池單體電芯能量密度達到 300Wh／kg 以上，力爭實現(xiàn) 350Wh／kg，系統(tǒng)能量密度力爭達到 260Wh／kg、成本降至 1 元／Wh 以下；到 2025 年，新能源汽車占汽車產(chǎn)銷 20％以上，動力電池系統(tǒng)能量密度達到 350Wh／kg。

提高能量密度的關(guān)鍵在于正極材料。正極材料決定了鋰離子電池的主要性能。按正極材料劃分，鋰離子電池可以分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等技術(shù)路線。其中，三元材料是指含鎳鈷錳三種元素或鎳鈷鋁三種元素組成的正極材料，即鎳鈷錳酸鋰（以下簡稱“NCM”）或鎳鈷鋁酸鋰（以下簡稱“NCA”）。在動力電池領(lǐng)域，經(jīng)歷了由鈷酸鋰、錳酸鋰轉(zhuǎn)向磷酸鐵鋰、三元材料為主的發(fā)展歷程。

圖片來源孚能科技招股說明書

受限于磷酸鐵鋰電池的能量密度瓶頸（尤其是體積能量密度低，導致較難應用于空間狹小的乘用車），為了實現(xiàn)動力電池高能量密度、新能源汽車長續(xù)航里程以及低配置成本等目標，三元材料已成為動力電池行業(yè)的技術(shù)發(fā)展主流路線之一，尤其是在性能要求更高的新能源乘用車和專用車領(lǐng)域。

根據(jù)三元材料中鎳、鈷、錳元素含量的不同，NCM 材料又可分為 NCM523、NCM622 、NCM811 等 ，NCM523 即 指三元材料的化學組成為Li（Ni0．5Co0．2Mn0．3）O2。NCA 則由鋁元素替代了錳元素。三元材料的技術(shù)優(yōu)勢在于綜合 LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2 或 LiAlO2 三種材料的優(yōu)點，使得 Ni、Co、Mn 或 Al 發(fā)揮協(xié)同效應。Ni 主要作用為提高能量密度；Co 主要作用為穩(wěn)定三元材料層狀結(jié)構(gòu)，提高材料的電子導電性和改善循環(huán)性能；Mn 主要作用為降低成本，改善材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。不同的元素配比可以獲得不同的電極特性。

圖片來源孚能科技招股說明書

綜合技術(shù)進展、工藝制造等因素，NCM523 是當前最廣為使用的三元材料。國內(nèi)外動力電池企業(yè)正加快研發(fā) NCM811 或 NCA 等高鎳正極材料三元動力電池產(chǎn)品。

高鎳三元材料電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化具有一定的壁壘。從技術(shù)角度，隨著鎳比例的上升，鎳離子與鋰離子的混排效應更加明顯，需要通過電池材料的整體配方設(shè)計等，解決混排效應帶來的循環(huán)壽命下降、熱穩(wěn)定性變差等問題；從工業(yè)生產(chǎn)角度，高鎳三元材料在前驅(qū)體燒結(jié)和材料生產(chǎn)環(huán)境要求上都極為苛刻，有效產(chǎn)能釋放難度極高，對動力電池生產(chǎn)環(huán)節(jié)要求也更高。另外，隨著鎳元素的提升，正極材料更為活潑，對動力電池安全性影響更大。因此，導入高鎳三元材料對動力電池企業(yè)的技術(shù)實力和工藝制造能力要求更高。