NCM811电池时代,安全性应当比能量密度更重要

作者: | 发布日期: 2019 年 06 月 24 日 9:57 | 分类: 产业资讯

为了提高动力电池的能量密度,延长电动汽车的续航能力,动力电池企业一直致力于研发高能量密度动力电池:通过提高电池内镍金属的含量比例,从而实现动力电池能量密度的提升。NCM811电池时代已悄然而至。

然而,高镍化电池也有弊端:镍金属含量的提高使电池的不稳定性增加。近期频发的电动汽车自燃事件,也给各生产企业敲响警钟。

三元材料的各自作用,呼唤锰的回归

在论述开始之前,先跟大家介绍一下三元锂电池中三元材料的作用——电池正极,准确地说是作为电池正极的前驱体(可简单理解为原料)在整个电池供应链中存在。在电池内部充满锂离子的储能介质锂盐与正极三元材料不断产生电化学反应充电或放电。在发明三元材料之前,锂电池正极的材料通常为钴酸锂(LiCoO2),而后因锂电池单体容量不断加大,为安全起见,正极材料逐渐演化为镍钴锰酸锂【Li(NiCoMn)O2】。三种活泼性不同的金属组成的电池正极共同作用自然会引发更多“故事”。而三元锂电池的正极材料从镍、钴、锰三种金属比例为1:1:1演化为4:2:4,再到5:3:2、6:2:2,以至于目前即将流行的8:1:1。镍的含量逐渐增加的现象,在电池能量密度提升的同时,自然会让电池的安全性与循环次数变为业界热议的话题。

三元材料的比例按其氧化还原反应的强烈程度可分为(镍、锰)等量型与不等量型。等量型的典型代表为镍、钴、锰三种金属比例为1:1:1和4:2:4的两种形式。在电池充放电过程中,+4价的锰离子不变价,在材料中起到稳定结构的作用,+2价的镍离子变为+4价,失去两个电子,在稳定之余使电池的能量密度有了一定的提升,但这种方式能量密度的提升较为有限,以被业界摒弃。

不等量型,就是目前深受业界追捧的,三种材料比例为5:3:2、6:2:2甚至8:1:1的三元材料比例。镍含量较高的三元材料在电压平台低于4.4V时,一般认为主要是镍元素按+2或+3价参与氧化还原反应后,化合价升高到+4价。当电压高于4.4V时,+3价的钴离子参与反应变为+4价,+4价的锰离子不参加反应,起稳定结构作用。

通过分析不同三元材料比例下电池内部的电化学反应,目前深受业界追捧的三元材料比例的弊端呼之欲出——锰作为三元材料中的“镇定剂”,起着稳定各离子“军心”的作用。锰在三元材料中的比例降低,意味着安全性降低。而镍的比例增高,则带来了相对激烈的电化学反应,使电池能量密度提升的同时增加了一定不稳定因素,从而增加了电池自燃的风险。同时,备受消费者关注的电池循环次数问题,也会因三元材料中镍的含量提升而大大减少,也就意味着电动汽车的整个生命周期中,需要面临更多次的电池更换。在电池能量密度大幅提升的背后,则反应出三元锂电池发展过程中深深的无奈。

政策与供应链强力引领,“811时代”被迫到来

2018年年初,四部委发布《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》(以下简称《通知》)。《通知》要求,2018年补贴系数与能量密度挂钩。乘用车想要拿到最高倍补贴系统能量密度需>140Wh/kg;非快充类纯电动客车要获最高倍补贴同样需要>140Wh/kg。而2019年,调整后的《通知》显示,可享受1倍补贴车型装备的电池能量密度限制需不低于160Wh/kg。而这一限值在2020年将达到260Wh/kg!在提升电池能量密度方面,各电池厂商在对于储能介质与其他材料无计可施的情况下,只能逐步提高正极材料中镍的含量。政策的强力指导作用,成为“811时代”到来的最重要因素。

另一方面,上游供应链的倒逼作用,也是“811时代”被迫到来的重要因素。近期国际期货市场上,镍的成交价格在10万元人民币/吨上下徘徊,钴的成交价格则飙升至25.5-28万元人民币/吨,在2017年5月甚至达到人民币50.8万元人民币/吨。锰虽未作为期货交易品种上市,但据多方了解,其现货出厂价在1.3万元人民币/吨。各材料间巨大的价格差异,与其在电池内部的作用差异,让动力电池生产企业同样在供应链的裹挟下,被迫走进“811时代”。

编后记

在动力电池广泛应用的今天,电池技术的发展是否应仅重视能量密度的提升,弱化了安全性与电池循环次数?这将是“811时代”关注动力电池发展各方在这一阶段讨论的焦点话题。近期频发的电动汽车自燃事件,也给各生产企业敲响警钟。在此,在“811时代”来临时,电池的安全性提升才应该是电池技术发展的第一要务,否则再高的电池性能,没有安全性支撑,都是无法实现长远发展的。

 

文章来源:中国质量新闻网

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