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被迫進入“811時代”的動力電池,安全性將走向何方?

瀏覽次數:64 發布日期:2019-06-24

為什么是811?這是作為電動汽車動力來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量日漸擴張,三種較稀有的金屬供應壓力也越來越大,加之政策對電池能量密度要求的日漸提升,“811時代”悄然而至。

三元材料的各自作用,呼喚錳的回歸

在論述開始之前,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,準確地說是作為電池正極的前驅體(可簡單理解為原料)在整個電池供應鏈中存在。在電池內部充滿鋰離子的儲能介質鋰鹽與正極三元材料不斷產生電化學反應充電或放電。在發明三元材料之前,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,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引發更多“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象,在電池能量密度提升的同時,自然會讓電池的安全性與循環次數變為業界熱議的話題。

花開兩朵,各表一枝。三元材料的比例按其氧化還原反應的強烈程度可分為(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。在電池充放電過程中,+4價的錳離子不變價,在材料中起到穩定結構的作用,+2價的鎳離子變為+4價,失去兩個電子,在穩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,以被業界摒棄。

不等量型,就是目前深受業界追捧的,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低于4.4V時,一般認為主要是鎳元素按+2或+3價參與氧化還原反應后,化合價升高到+4價。當電壓高于4.4V時,+3價的鈷離子參與反應變為+4價,+4價的錳離子不參加反應,起穩定結構作用。

被迫進入“811時代”的動力電池,安全性將走向何方?

圖為動力電池三元材料從等量型向不等量型發展的變化(中國質量新聞網汽車頻道制圖)

通過分析不同三元材料比例下電池內部的電化學反應,目前深受業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“鎮定劑”,起著穩定各離子“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,則帶來了相對激烈的電化學反應,使電池能量密度提升的同時增加了一定不穩定因素,從而增加了電池自燃的風險。同時,備受消費者關注的電池循環次數問題,也會因三元材料中鎳的含量提升而大大減少,也就意味著電動汽車的整個生命周期中,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,則反應出三元鋰電池發展過程中深深的無奈。

政策與供應鏈強力引領,“811時代”被迫到來

2018年年初,四部委發布《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》(以下簡稱《通知》)。《通知》要求,2018年補貼系數與能量密度掛鉤。乘用車想要拿到最高倍補貼系統能量密度需>140Wh/kg;非快充類純電動客車要獲最高倍補貼同樣需要>140Wh/kg。而2019年,調整后的《通知》顯示,可享受1倍補貼車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年將達到260Wh/kg!在提升電池能量密度方面,各電池廠商在對于儲能介質與其他材料無計可施的情況下,只能逐步提高正極材料中鎳的含量。政策的強力指導作用,成為“811時代”到來的最重要因素。

另一方面,上游供應鏈的倒逼作用,也是“811時代”被迫到來的重要因素。近期國際期貨市場上,鎳的成交價格在10萬元人民幣/噸上下徘徊,鈷的成交價格則飆升至25.5-28萬元人民幣/噸,在2017年5月甚至達到人民幣50.8萬元人民幣/噸。錳雖未作為期貨交易品種上市,但據多方了解,其現貨出廠價在1.3萬元人民幣/噸。各材料間巨大的價格差異,與其在電池內部的作用差異,讓動力電池生產企業同樣在供應鏈的裹挾下,被迫走進“811時代”。

編后記

國內首款“NCM811”(指三元鋰電池鎳、鈷、錳三種金屬材料的比例為8:1:1)動力電池已將蔚來ES8的標稱續航里程擴展至425km,而國內各主流動力電池廠商紛紛宣稱將投產“NCM811”動力電池,這些都標志著作為世界唯一成熟電動汽車市場的我國汽車市場,正式邁入動力電池“811時代”。在動力電池廣泛應用的今天,電池技術的發展是否應僅重視能量密度的提升,弱化了安全性與電池循環次數?這將是“811時代”關注動力電池發展各方在這一階段討論的焦點話題。近期頻發的電動汽車自燃事件,也給各生產企業敲響警鐘。在此,在“811時代”來臨時,電池的安全性提升才應該是電池技術發展的第一要務,否則再高的電池性能,都會成為“空中樓閣”。


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