成本+安全 5/6系三元材料今年或将再起势

作者: | 发布日期: 2021 年 01 月 14 日 13:05 | 分类: 产业资讯

2020年,在成本、安全、续航的多方博弈下,磷酸铁锂、高镍技术路线都在相应市场和领域受到关注,且频频成为业界竞相讨论的焦点。貌似中镍三元有点不受待见了,实则非然。中镍三元材料正在以另一种“形貌”出现,并大有反攻之势。那就是单晶中镍三元体系。

从电池生产企业来看,2020年宁德时代、欣旺达、瑞浦能源、领湃新能源都推出了基于中镍的单晶三元电池;材料端,单晶5系、6系已成为当升科技、格林美、中伟股份、长远锂科、贵州振华、容百科技、厦门钨业等众多正极材料企业的拳头产品。值得一提的是,特斯拉在2020年4月也申报了一项单晶镍钴铝电极专利获批,可使电池循环寿命超过4000次,电池生命周期内续航可超过160万公里。

而电池头部企业及造车新势力接连推出中镍三元产品,则有望带动中镍三元电池的反包围。

安全、成本、寿命皆优 单晶中镍悄然起势

提升动力电池能量密度一直是电池技术演化的重要方向。过去几年,在补贴政策导向下,动力电池能量密度逐年提升,材料体系也从最初的磷酸铁锂,到三元电池。三元电池材料也从NCM111到NCM523、622,再到目前的811,甚至超高镍。镍的含量逐步提高,电池能量密度也随之提升,这也一直是三元正极材料主流的发展方向。

但问题来了,镍越高,电芯能量密度越大,但钴被迫减少,电池的安全风险也随之陡增。尽管NCM811电池近两年已经开始批量化装车,但业界普遍认为,NCM811产品在安全性能和成本上还需要继续迭代和改善,尚不具备技术积淀的企业在这一技术产品应用上还需谨小慎微。

在现有材料和技术路线下,提高镍含量也并非提升电芯能量密度的唯一法门。提高正极材料电压,也是可选项之一。相对多晶材料,单晶材料更适合做高电压。同时,单晶材料内部没有晶界,可提升三元材料的循环稳定性,对延长电池的循环寿命也算额外的惊喜。

此外,中镍三元材料因镍含量相对高镍较低,且钴含量也较高,本身安全性就足够有保证。再加上单晶材料产热较少,稳定性高,其安全性性能要远高于高镍材料。

在制备成本上,目前单晶中镍材料生产工艺相对于多晶材料更为复杂,材料价格也相对较高。但如果与高镍材料的制备成本相比,仍然占有优势。

事实上,在镍钴锰比例相同的情况下,单晶三元材料克容量稍低于多晶三元材料,但由于其电压更高,因此材料整体能量密度已经和目前高镍三元材料差不多。

能量密度接近,安全性、循环性能更优,同时成本也更低。这些因素也促使单晶中镍三元材料市场占比开始上升。行业数据显示,2019年中国市场三元正极材料出货量中,单晶三元正极材料出货量已超过50%。

目前来看,市场上主要的单晶三元正极材料主要以镍5系、6系为主,3系以及高镍三元占比可忽略不计。

多家企业悄悄推出单晶中镍三元产品 市场热度起升

2020年11月,国内造车新势力蔚来上线了100kWh电池包。据悉,该电池包可实现“无热蔓延”,也就是宁德时代此前宣布的“只冒烟不起火”电池。值得注意的是,该款电池电芯采用的是宁德时代“镍55三元电芯”。

当然,这并非宁德时代首次亮相其单晶镍5系电池产品。结合宁德时代在2020年7月为上汽荣威ER 6配套的NCM523电池,其电芯能量密度243Wh/kg;8月为吉利几何C配套的高电压NCM523电芯。可以推测宁德时代2020年已开始大批量为车企供应单晶镍5系电池。

2020年11月,欣旺达对外发布了“不起火”三元电池包。据悉,该电池包内电芯的正极材料采用的也是5系的单晶高电压三元材料——镍5X正极材料。据欣旺达相关负责人透露,欣旺达采用单晶高电压镍5X体系材料,产热比其它体系要低至少18%;热稳定性(热失控温度)也比其它体系高30%以上;能量密度方面,由于单晶材料电压更高,通过提升单晶材料电压,镍5X能量密度已经接近目前的高镍材料体系。

同在去年11月,动力电池新势力领湃新能源发布的首款新品也是基于高电压中镍材料打造的镍6系产品。据领湃新能源介绍,之所以选择高电压中镍产品,主要是基于两个方面的考虑:首先是能量密度高,通过高电压和中镍结合,能够达到高镍体系的水平;第二是安全性好,中镍的安全性会比高镍体系更有优势。

同在去年,瑞浦能源也推出了高电压4.35V Ni55+石墨体系产品,相关产品电芯能量密度已做到245Wh/kg,且开始批量装车应用。据瑞浦能源介绍,单晶镍5系产品在能量密度上已与目前的NCM811接近,但是在循环寿命、安全性能和成本上却较目前的NCM811有明显优势。

去年4月,特斯拉申请了一项单晶镍钴铝(NCA)电极专利。专利显示,使用该技术,电池在其生命周期内可以循环充电4000余次,全生命周期续航将超过160万公里。

除了在单晶三元材料方面,2020年,蜂巢能源推出的“无钴电池”,星恒电源推出的星恒超锂S7也同样采用了单晶技术,单晶在多种材料体系中均已经得到拓展。

单晶中镍在安全、能量密度、成本、循环寿命上的综合优势突出,也早已引得上游材料企业的关注和研发努力。近日,格林美在接受机构调研时表示,公司主要生产高镍与单晶高端产品,目前已建成高镍与单晶高端产品13万吨/年产能;据当升科技透露,公司开发的单晶高电压多元6系产品已获得众多国内外客户的高度认可;容百科技也表示,公司一直以来以高镍和单晶三元正极材料为主要研发方向,在单晶正极材料方面,过去几年公司依次实现了单晶NCM523、单晶NCM622的产业化,后续单晶型NCM811和高能量型NCA等产品产业化正在推进中。

单晶中镍材料的悄然走热,也让我们看到一种现象,在2020年,多家车企“重回”NCM523体系。当然,这只是电池企业在综合车企、消费者的现实诉求后,进行的技术创新所致。

高安全性、高能量密度、长循环寿命以及低成本是车企对于电池的需求,也是电池技术发展的趋势。目前主流的磷酸铁锂、中镍三元、高镍三元等电池技术路线,都可以破解一到几个方面的诉求,但很难同时破解所有诉求。这也是目前多种电池技术在不同场景表现完全不同的重要原因。

单晶中镍三元目前在经济性、安全性、能量密度、循环寿命等多个维度实现了较好的平衡,目前以宁德时代、欣旺达、瑞浦能源等为代表的多家电池制造企业已经开始大量导入和生产,预计接下来镍5系、6系等中镍体系的高电压单晶材料将是多家电池企业布局的重点技术路线之一,这将带动中镍三元市场份额重新回升。

当然,并非巨头们开始推出单晶中镍,就放缓了高镍的推进速度。动力电池能量密度的提升仍然是大方向,2020年宁德时代、LG化学、松下电池、SKI、三星SDI、特斯拉等国际巨头或已经量产了高镍(以NCM811为主)电池,或对外界释放了高镍、超高镍材料电池的量产时间表。在三元电池赛道上,高镍化目前仍然是重要方向,在追求续航里程的大前提下,动力电池高镍化方向未来一段时期内应该不会动摇,关键是如何做到既安全可靠又具经济性。相信,这也是众多电池企业未来技术竞争角逐的重要领地。

来源:CBEA电池中国

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