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NCM811能“担”起新能源汽车的未来吗?

荷叶塘 来源:电子发烧友 作者:程文智 2019-08-19 04:11 次阅读
在新能源汽车中,动力电池仍然是纯电动汽车的核心零部件,在整车的价值中占比颇高。虽然近几年来动力电池的价格在逐年下降,且高端车配套的增值服务,或者配件会摊薄动力电池的价值占比,但即便是这样,目前动力电池仍然在纯电动汽车中的价值占比最高的超过了40%。
就拿2019年市场上推出的主流代表车型来说,华泰证券研究所的分析师对比亚迪秦Pro、吉利几何A、北汽EU5、广汽Aion S、特斯拉model3的电池成本与整车成本进行了比较,详细见表1.
 

 
表1:2019年主流车型的电池价值占比测算。

汽车动力电池技术的发展路径

既然动力电池在纯电动汽车中的价值如此之高,那动力电池目前的发展状况如何呢?随着电池技术的进步,长续航里程的纯电动汽车将是新能源汽车发展的最终目标。要实现这个目标,就需要更高能量密度的电池,来满足更高的续航里程。
目前常用的动力电池包括锂离子电池、镍氢电池,以及燃料电池。不同的电池,特点不用,应用领域也不相同,比如镍氢电池功率和安全性能较高,在混合动力汽车中发挥优势;锂离子电池能量密度较高,且可以继续提升,是纯电动汽车的首选;燃料电池加氢速度快,可以更快地完成能量补充过程。
长远来看,新能源汽车对动力电池的需求将向着高能量密度(包括质量能量密度和体积能量密度)、高安全性发展,同时需要解决其充电时间比传统内燃机加油时间过长的问题。
我们从宁德时代公布的一个动力电池能量密度发展规划图也可以看出,未来动力电池发展的路径大致会是:镍氢电池-传统锂离子电池-全固态锂离子电池-燃料电池-锂空气电池的进程。
 

 
图1:宁德时代公布的动力电池能量密度开发路线图。

NCM811成为动力电池的新宠

就目前而言,锂离子电池还处于液态锂离子电池体系下,但在高能量密度需求,以及低钴化降成本需求下,趋势动力电池向高镍三元方向发展。
2016年到2018年,新能源乘用车产量在逐年增加,三元锂电池装机量也一路攀升,2018年动力电池装机量达到56.4GWh,三元锂电池装机量为33.5GWh,占比近60%,首次超过了磷酸铁锂锂电池成为市占第一的动力锂电池。
目前不论是国际,还是国内动力电池企业,都朝着300Wh/Kg的能量密度目标迈进,在三元锂电池中,必须向高镍方向挺进才能实现。而在高镍三元锂电池上,目前有两种路线,分别是镍钴铝(NCA)体系和镍钴锰(NCM)体系。其中NCA主要是松下配套给特斯拉在用,其余大部分都是NCM体系。
NCM是指正极材料由镍钴锰三种材料由一定比例组合而成。在高镍三元材料中,镍的主要作用是提供电池容量,其含量越高,电池的能量密度就越大;钴元素在共献一部分容量的同时,起稳定结构的作用;锰/铝主要用来稳定三元体系结构。
目前,全球的三元动力锂电池都开始从中低镍(如3:3:3;5:2:3)向高镍(如6:2:2往8:1:1)转换。
NCA的正极材料是由镍钴铝构成,铝可以起到提高电池循环化学稳定性的作用,搭配在NCA体系中,镍含量可以得到一定提升,从而实现更高的电池能量密度。至于NCA中镍的含量,不同企业生产过程中会有所区别,但镍含量的占比至少在80%以上。由于NCM811与NCA动力电池能量密度相对更高,续航能力更强,所以成为了近几年电动汽车电池在新能源补贴环境下进行技术突破的首选。
目前,由于日本的NCA电池技术发展较为成熟,主要是以松下为代表的日本企业在主推NCA电池的生产。中国企业与韩国企业则更偏好大力发展NCM811。造成这一现象的原因是什么呢?
NCA与NCM811在生产工艺与成本上会体现出部分差异。
NCM811的合成方法主要是高温固相烧结法,稳定性和安全性能相较于NCA稍差,此外,其储存和加工条件也十分苛刻。
NCA电池的克容量相比于NCM811要稍高,安全性能相对更好,但对制作工艺水准要求高且实际生产成本较NCM811更高。NCA容易在高温下发生崩塌导致热失控,且pH 值过高易使单体胀气,进而可能引发危险。
目前国内NCM811电池的量产代表企业为比克电池,其生产的NCM811电池已经与江淮、小鹏汽车等实现合作。
宁德时代的NCM811电池也已经在给广汽新能源Aion S供货了。宁德时代的这款NCM811动力电池的电芯能量密度为240Wh/Kg,Pack能量密度达到了170Wh/Kg,工况续航里程达到510km。此外,宁德时代也已经开始批量给吉利几何A和蔚来ES6供货了。
比亚迪也曾经表示今年会量产NCM811电池。
在国外,虽然韩国锂电池巨头LG化学、SKI和三星SDI都在积极备战高镍NCM811,但在产业化进展上却不尽人意。比如说SKI曾预计2018年8月份会批量生产用于电动汽车的NCM811电池,但现在却推迟到了今年第三季度才会正式量产。
而国内NCA电池实现量产的企业则以天津力神与天鹏电源为代表,NCA电池系统能量密度最高能达到180Wh/kg,平均系统能量密度也已经能达到140-160Wh/kg。
虽然中国大部分电池企业都提出正在大力发展NCM811电池,但目前在国内真正实现量产并装车的高镍三元电池,NCA的发展速度甚至要更快。目前,江淮、北汽新能源、长安、宝骏、知豆等多款车型均已开始配套NCA电池,电池的能量密度与整车的续航里程都得到了大幅提升。

NCM811还面临哪些挑战?

虽然NCM811的能量密度更高了,但随着三元材料锂电池中镍的比例提高,锰的比例降低,材料的热稳定性就会变差。
在NCM811电芯中,镍的比例已经达到非常高值,随着电池使用期的增长,快充次数增加,在遇到过充过放、高温、外力冲击等情况时,即便是电池内部温度还处于设定安全状态,电芯正负极析氧或析锂发生电化学反应等导致热失控的风险都会很高,电池安全性会急速下降。
随着 NCM811 技术研发进程的加速,国内企业相继提出了一些解决NCM811安全问题方案,并实现量产运用到相应的车型上。以宁德时代为例,该公司从电芯环节通过机械设计和化学设计来应对安全和热失控问题,而模组环节采用多个温度传感器实时监测,电池包环节运用业界首创阻燃技术进一步解决NCM811带来的安全问题。目前,宁德时代NCM811电池已经实现量产,蔚来 ES6 和合众U等车型预计将在2019年下半年上市并采用该款NCM811电池。
 

 
图2:保证NCM811电池安全性的解决方案。
虽然电池厂商和汽车制造商提出了一些解决方案,但不断出现的电动汽车燃烧事件,让消费者心中充满担忧。
有人认为,电池不会一开始过充或者快充就会出现问题,而有研究发现电池在快充300~500次之后,稳定性会逐渐变差。因此,他们担心这类新型动力电池的安全性是否能够得到足够的保证。

结语

关于新能源汽车的动力电池问题 ,笔者曾经听一些从事新能源汽车的工程师说,由于现在动力电池的能量密度普遍较高,为了满足用户快速充电的体验,有的企业开始将电池真实容量的80%标注显示为100%,这样,所有的电池就都能在半小时之内快速充电到100%了。
这种做法从法律上将并没有什么过错,虽然电池没有完全充满,但也能达到你的使用需求,跟说明书上标注的续航里程数也是一致的。但笔者总感觉怪怪的。
NCM811这类高能量密度动力电池能否让新能源汽车更让消费者接受,还需要看它的安全性是否经得起时间的考验。
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