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    中國三元鋰電池走什么路線?制造NCA的鋰電池到底有多難?

    2020-09-02 ryder

    動力電池者,得新能源汽車天下。這句話毫不夸張。因為電池占到新能源汽車整車成本的近一半。在電池的四大主材(正極材料、負極材料、電解液和隔膜)中,正極材料不但占到成本的40%,而且直接決定著電芯的能量密度。正因為如此,大多數動力電池都以正極材料來命名。

    1. 中國三元電池走什么路線?

     

    根據正極材料技術路線,動力電池可主要分為磷酸鐵鋰、三元(NCA/NCM)和錳酸鋰電池這三類(你可能會問,為什么董小姐的珠海銀隆的鈦酸鋰電池無法歸類?這是因為鈦酸鋰是唯一的以負極材料命名的動力電池)。

     

    這三類電池各有優缺點:磷酸鐵鋰電池充放電循環壽命長,但其缺點是能量密度低、低溫性能差,主要應用在商用車上;三元材料的優點是能量密度高,缺點是循環壽命比較短、安全性差和高溫性能差,主要應用在乘用車上;錳酸鋰電池能量密度低,高溫下的循環穩定性和存儲性能較差,目前國內生產和使用都很少。

     

    所謂三元材料主要以NCM和NCA為主,其中NCM 材料可分為NCM111、NCM523、NCM622、NCM811等。目前國內主要采取NCM 材料,以NCM523為主,2016年其在三元材料分型號產量中占比為76%,NCM111 和NCM622 占比分別為13%和10%。

     

     

    隨著鎳元素含量的升高,三元正極材料的比容量逐漸升高,電芯的能量密度也會隨之提高。在新能源汽車續航里程提高和鈷價不斷高漲的雙重刺激之下,高鎳體系的NCM811和NCA材料已經成為市場競逐的熱點。

     

    但從目前國內動力電池制造廠家的選擇來看,選擇NCM811路線者眾,而選擇NCA路線者寡。那么NCM和NCA差別大嗎?是否存在優劣之分?

     

    2. NCA和NCM存在優劣之分?

     

    首先,從材料生產過程來看,NCA比NCM的生產工藝條件更為苛刻。

     

     

     

     

     

    根據海通證券的研究,從摩爾配比看,NCM中鎳:鈷:錳的摩爾比常見為5:2:3或1:1:1,而NCA中鎳:鈷:鋁常見的摩爾比為8:1.5:0.5,由于NCA中鋁的含量過少,因此也常稱為二元材料。而NCA中以Al(過渡金屬)代替錳,實際是將鎳鈷錳酸鋰通過離子摻雜和表面包覆進行改性,離子摻雜可以增強材料的穩定性,提高材料的循環性能。但是在制作過程中,由于Al為兩性金屬,不易沉淀,因此NCA材料制作工藝上存在門檻。

     

    《大出行下半場》發現,由于NCA材料的技術壁壘高,目前產能主要集中在日韓,我國量產較少。2014年全球NCA產量為1.45萬噸,占所有正極材料8.9%左右,2015年NCA產量為2.3萬噸,占比為10.3%。2016年日、韓兩國的NCA產量為2.68萬噸。

     

    NCA主要供應商有住友金屬(Sumitomo)、日本化學產業株式會社和戶田化學(Toda),韓國的Ecopro和GSEM也有少量產品銷售。其中,Toda主要供應日本AESC和韓國LGC,Sumitomo主要供應松下和PEVE,韓國的Ecopro對應客戶為SDI。

     

    其次,從電池生產過程來看,NCA電池的生產難度更大。全球可以生產NCA電池的主要有松下、三星和AESC,而NCM的生產廠家眾多,包括LG和中國的主要動力電池廠家。

     

    特斯拉的電動汽車續航歷程最長,最新的技術可以實現20分鐘充滿續航350公里,是當之無愧的全球領跑者,這與它采用松下NCA電池是密不可分的。

     

    起初,松下推出的是18650型NCA電池,最近和特斯拉聯合推出21700的NCA電池。21700電池單體的能量密度接近300Wh/kg左右,比原來18650電池的250Wh/kg提高約10%以上,這幾乎是世界上能量密度最高的量產鋰離子電池了。

     

    這一水平,不但遠遠高出國內使用率最高的NCM523電池單體200Wh/kg的能量密度水平,而且也明顯高出國內剛剛出現且最為領先的NCM811電池的能量密度水平,即單體最高250Wh/kg、系統最高200 Wh/kg的水平。

     

    這能否說明NCA電池比NCM更勝一籌呢?相比NCA電池已經大規模、成熟量產,且得到商業上的驗證,而高能量密度的以622、811為代表的NCM電池還未大規模開始,暫時落后一步。

     

    其中,技術最為領先的NCM811的電池制造國內剛剛起步,主要產自圓柱形動力電池生產廠家,而方形和軟包電池廠家還在企業內部做有關的安全測試。

     

    目前已經對外宣稱實現量產NCM811的廠家包括比克電池和鵬輝能源,其能量密度還有提升空間,且受制于NCM811正極材料的質量和安全性問題,進一步提升的難度還不小。

     

    目前還沒有公開的數據,可以詳細比較NCA和NCM811的能量密度、安全性以及性價比,很難說孰優孰劣。不過,中國工程院陳立泉院士對《大出行下半場》表示,NCA和NCM811性能上比較接近,不分伯仲,在價格上NCM811略微便宜一些。

     

    而且,NCA體系電池也并非盡善盡美,如果要進一步提升能量密度,需要在21700基礎上不斷地做大體積,而這會對電池安全管理提出更大的挑戰。

     

    所以,全球最大NCA電池生產商松下雖然以NCA產品聞名于世,但實際上它是兩條腿走路,在提供NCA供給特斯拉的同時,也生產NCM供給大眾、福特等其他車企。

     

    3. 中國能造出成熟的NCA電芯嗎

     

    一個不爭的事實是,在中國本土三元電池的供應體系里面,目前幾乎只有NCM這一個路線的產品。那么,中國本土電池企業能生產出成熟的NCA電池嗎?

     

    放眼國內電池企業,無論是一線的寧德時代、比亞迪、力神、國軒高科等廠家,還是專業做圓柱型電池的比克、沃特瑪、天鵬能源和鵬輝能源等廠家,目前都沒有批量生產NCA電池。

     

    其中,大多數做方形或軟包的電池企業并沒有涉足NCA電池,做圓柱型電池的企業,例如比克只是在實驗室研發,老牌的力神和新起的天鵬能源計劃生產,但其量產產品并未見于世,有待市場的檢驗。

     

    2017年11月,力神董事長秦興才發布的“力神電池化學體系路線規劃”,包涵了NCM811/NCA體系、NCM532/622體系、磷酸鐵鋰體系、固態電池、鈉離子電池和燃料電池。

     

    實際上,力神此前曾經小規模生產過NCA電池,但此次正式列入長期計劃,表明想大干一場,但前景可能并不特別值得期待。

     

    不過,讓人感到意外的是,上海德朗能這家在動力電池市場上并不十分活躍的公司,卻在去年公開宣稱量產了NCA,2017年行業里面超過286MWh的裝車量可能主要是由它貢獻的,主要供給了東風的乘用車。

     

    這家公司的產品是否成熟,業界評價不一。2016年成為德朗能大股東的美都能源(600175),在2017年收購了浙江新時代海創鋰電科技公司,而這家公司是由原寧波金和鋰電部分團隊出走創辦的公司,其在三元材料研發上具有一定優勢,但也并沒有量產NCA材料。德朗能的NCA電池能否持續高量產有待進一步確認。

     

    《大出行下半場》分析,這并不是說中國的動力電池市場上,近期不會出現其他高能量密度的成熟NCA三元電池供應商,只不過供應商并非中國本土企業,而是日韓背景的三家企業

     

    第一,松下公司投資的蘇州工廠,可能會在中國生產NCA電池, 并將為中國車企供應,

     

    第二,金沙江資本收購的AESC已經在中國投資設廠,其主打方向已經從錳酸鋰轉向三元里電池,而它本身具備NAC電池的生產能力。

     

    第三,三星2016年曾經在中國市場上供應過NCA電池,但因為政策原因被叫停。隨著政策環境的變化,三星可能重新獲準在中國市場出售NCA電芯。

     

    不過,我們需要追問的是,為何中國本土的電池廠家為何至今沒有量產NCA三元電芯,是因為電池廠造不出來還是沒有車企用?

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