鎳鈷錳使用比例的調(diào)整，是否會影響電池的安全性
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-03 18:38
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由于鎳鈷錳使用比例的調(diào)整，NCM811等高鎳材料在提高鎳比例、大幅提升電池能量密度的同時，也會造成電池?zé)岱€(wěn)定性的持續(xù)下降，進而影響到電池的安全性。
鎳在反應(yīng)過程中還會影響電池可逆比容量和循環(huán)性能，帶來電池循環(huán)應(yīng)性能減弱、充電效率降低的問題，給大規(guī)模應(yīng)用形成阻礙。
業(yè)內(nèi)共識，盡管國內(nèi)NCM523和NCM622電池制備技術(shù)已較為成熟，但生產(chǎn)NCM811電池仍非易事。
由于鎳自身的化學(xué)特性，容易造成鋰的析出，從而影響混料、涂布等后續(xù)加工過程，這是生產(chǎn)NCM811需要解決的一大難題。
單體電池生產(chǎn)主要包括混料、涂布、烘烤、輥壓、分條等環(huán)節(jié)?；炝霞磳⒄?、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。涂布環(huán)節(jié)則是正負(fù)極漿料涂覆在集流體（銅箔，鋁箔）表面，以制作極板。
比克電池圓柱電池總工李艷斌在接受界面記者采訪時表示，比克在生產(chǎn)NCM811電池的過程中，需要對正極材料、漿料、電解液的選擇和配比，以及工藝和制造環(huán)境等多種因素進行改進。她舉例稱，“考慮到高鎳材料的氧化性強，對生產(chǎn)所用的水也進行了調(diào)整。”
真鋰研究首席分析師墨柯指出，目前正極材料上純粹使用NCM811材料的電池仍然較少，總體上屬于小規(guī)模試驗階段，但是將NCM811材料與NCM333或者錳酸鋰等材料進行摻雜，并以此作為正極材料的情況已經(jīng)較為常見。“嚴(yán)格地說，使用811正極材料和NCM811電池有一定區(qū)別。”他說。
墨柯表示，使用混合材料可在大幅提高安全性的同時，提升能量密度。企業(yè)通過逐步提高NCM811材料的比重來驗證技術(shù)可靠性，這也算作發(fā)展高鎳電池技術(shù)的方法之一。
“國內(nèi)現(xiàn)階段只有NCM811圓柱18650電池在技術(shù)上已具有大規(guī)模量產(chǎn)的可能，其他封裝形式的高鎳電池還有待進一步研究。”墨柯向界面新聞記者稱，國內(nèi)18650圓柱電池的生產(chǎn)工藝更加成熟穩(wěn)定，為NCM811材料的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
18650是一種標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池型號，即直徑為18mm，長度為65mm的圓柱電池。
圓柱形、軟包和方形是動力電池不同封裝形式。目前，圓柱形動力電池生產(chǎn)工藝最為成熟，電池組裝成本較低，良品率和一致性較高，但單體比能量略遜于另外兩種電池。
軟包動力電池安全性能高，循環(huán)性能好，但一致性較差，成本較高。方形電池在安全性優(yōu)于圓柱形電池，相對能量密度高，但生產(chǎn)工藝難以統(tǒng)一。
規(guī)模的擴大和技術(shù)的進步是降低電池成本，提高競爭力的主要途徑。近年來，國內(nèi)電池企業(yè)持續(xù)增加研發(fā)投入，2018年上半年，寧德時代研發(fā)投入為7.18億元，約占營業(yè)收入93.6億元的7.6%，研發(fā)人員占到員工數(shù)量的五分之一。同期，國軒高科的研發(fā)投入約為1.32億元，占營收的5.1%。此外，宣布每年將投入銷售額的5％作為研發(fā)經(jīng)費的還有力神電池和比克電池，后者在過去三年累積研發(fā)投入超過3億元。
正視差距
與中國電池企業(yè)相比，日韓企業(yè)在高鎳電池上已先行一步。
其中，日本松下可謂一路領(lǐng)先。從2008年開始向特斯拉配套供應(yīng)圓柱電池開始，松下不斷改進正極材料，并先后推出了NCM18650電池和比能量高達340Wh/kg的NCA21700電池。
韓國企業(yè)也較早布局NCM811電池。其中，LG化學(xué)計劃在將推出第三代軟包動力電池，單體電芯能量密度目標(biāo)為270-280wh/kg，比目前量產(chǎn)的能量密度高出50%。已方形電池為主要產(chǎn)品的三星SDI則在研發(fā)其第4代電池，單體能量密度可達270-280Wh/kg，預(yù)計2021-2022年間實現(xiàn)量產(chǎn)，第5代電池將于2023年以后量產(chǎn)，電池單體能量密度將達到300Wh/kg。
高工產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，上述三家韓國電池企業(yè)2017年的研發(fā)投入高達35億元、28億元和10億元。
然而，韓國企業(yè)的高鎳電池研發(fā)進程并不如想象的順利。此前，LG化學(xué)、SK創(chuàng)新相繼宣布推遲其NCM811電池量產(chǎn)計劃。多位電池業(yè)內(nèi)人士猜測，推遲量產(chǎn)的主要原因在于NCM811軟包及方形電池的安全性還存在缺陷。
王芳表示，品質(zhì)控制是企業(yè)在競爭中勝出的關(guān)鍵，產(chǎn)品性能、安全、壽命和成本是否能夠與對手去競爭，才是企業(yè)需要重點關(guān)注的。
“擁有高一致性、高安全性的電池才更有市場競爭力。”墨柯在采訪中提到，近年來，中國電池行業(yè)在技術(shù)和規(guī)模上發(fā)展迅速，電池技術(shù)與日韓企業(yè)的差距已不大，但中國電池企業(yè)在一致性上仍落后一大截，中國領(lǐng)先的電池企業(yè)，距離日韓企業(yè)有近兩到三年的差距。
一致性，是指電池包內(nèi)全部電芯全生命周期內(nèi)全部特性參數(shù)的一致性，單個電芯容量衰減、內(nèi)阻增長以及老化速度的不一致，將直接影響電池包的壽命，甚至是電動汽車的安全。
“日韓企業(yè)生產(chǎn)過程中的不良產(chǎn)品已達到萬里挑一，中國企業(yè)還做不到。”墨柯說。
安全命門
中科院院士歐陽明高曾在公開演講中多次強調(diào)，“對于高比能量動力電池來說，安全性是第一位。”
多位電池業(yè)內(nèi)人士在接受界面新聞記者采訪時表示，近來頻繁發(fā)生的電動汽車自燃，與目前市場上過度強調(diào)提高電池能量密度而忽視安全問題密切相關(guān)。
隨著6月12日新能源汽車補貼新政的正式實施，對動力電池比能量的要求明顯提高，由去年的80Wh/kg提升至120Wh/kg。未來，該指標(biāo)還將進一步提升。
中國汽車技術(shù)研究中心的數(shù)據(jù)顯示，2017年，中國動力電池的平均比能量為115Wh/kg左右，這一數(shù)字在2018年已快速增長至139Wh/kg。過半車型都能拿到1.1倍補貼。
按照2018年純電動乘用車國家補貼表述和技術(shù)要求，電池比能量達到140Wh/kg的可獲得1.1倍的補貼，高于160Wh/kg的按1.2倍補貼。
猛獅科技研究院院長鄧中一認(rèn)為，單純追求高能量密度是件高風(fēng)險的事情，必然會犧牲動力電池的安全性和循環(huán)壽命。“只有在保證安全，以及成本和壽命都可接受的情況下，高能量密度才有意義。”他指出。
“目前車企對高鎳811材料電池的需求非常旺盛，但出于安全考慮，暫時還不敢大量使用該種電池。”一位不愿具名的電池行業(yè)分析師告訴界面新聞記者。
他指出，企業(yè)為了達到政策對于能量密度的要求、拿到補貼，在快速壓低售價、有限的研發(fā)成本和時間投入的壓力下，往往會選擇在安全性上有所退讓。
但高鎳811材料并不是導(dǎo)致安全性下降的主導(dǎo)因素。李艷斌向界面新聞記者表示，電池的安全性并不是某一種材料決定的，而是由系統(tǒng)決定，這其中既包括隔膜、電解液、工藝和生產(chǎn)管控，也包括電池管理系統(tǒng)和PACK。
“提高電池能量密度，不只需要進行材料改進，不能把安全壓力過于集中在電池上，應(yīng)對全過程進行改進。”她說。
鎳在反應(yīng)過程中還會影響電池可逆比容量和循環(huán)性能，帶來電池循環(huán)應(yīng)性能減弱、充電效率降低的問題，給大規(guī)模應(yīng)用形成阻礙。
業(yè)內(nèi)共識，盡管國內(nèi)NCM523和NCM622電池制備技術(shù)已較為成熟，但生產(chǎn)NCM811電池仍非易事。
由于鎳自身的化學(xué)特性，容易造成鋰的析出，從而影響混料、涂布等后續(xù)加工過程，這是生產(chǎn)NCM811需要解決的一大難題。
單體電池生產(chǎn)主要包括混料、涂布、烘烤、輥壓、分條等環(huán)節(jié)?；炝霞磳⒄?、負(fù)極固態(tài)電池材料混合均勻后加入溶劑，通過真空攪拌機攪拌成漿狀。涂布環(huán)節(jié)則是正負(fù)極漿料涂覆在集流體（銅箔，鋁箔）表面，以制作極板。
比克電池圓柱電池總工李艷斌在接受界面記者采訪時表示，比克在生產(chǎn)NCM811電池的過程中，需要對正極材料、漿料、電解液的選擇和配比，以及工藝和制造環(huán)境等多種因素進行改進。她舉例稱，“考慮到高鎳材料的氧化性強，對生產(chǎn)所用的水也進行了調(diào)整。”
真鋰研究首席分析師墨柯指出，目前正極材料上純粹使用NCM811材料的電池仍然較少，總體上屬于小規(guī)模試驗階段，但是將NCM811材料與NCM333或者錳酸鋰等材料進行摻雜，并以此作為正極材料的情況已經(jīng)較為常見。“嚴(yán)格地說，使用811正極材料和NCM811電池有一定區(qū)別。”他說。
墨柯表示，使用混合材料可在大幅提高安全性的同時，提升能量密度。企業(yè)通過逐步提高NCM811材料的比重來驗證技術(shù)可靠性，這也算作發(fā)展高鎳電池技術(shù)的方法之一。
“國內(nèi)現(xiàn)階段只有NCM811圓柱18650電池在技術(shù)上已具有大規(guī)模量產(chǎn)的可能，其他封裝形式的高鎳電池還有待進一步研究。”墨柯向界面新聞記者稱，國內(nèi)18650圓柱電池的生產(chǎn)工藝更加成熟穩(wěn)定，為NCM811材料的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
18650是一種標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池型號，即直徑為18mm，長度為65mm的圓柱電池。
圓柱形、軟包和方形是動力電池不同封裝形式。目前，圓柱形動力電池生產(chǎn)工藝最為成熟，電池組裝成本較低，良品率和一致性較高，但單體比能量略遜于另外兩種電池。
軟包動力電池安全性能高，循環(huán)性能好，但一致性較差，成本較高。方形電池在安全性優(yōu)于圓柱形電池，相對能量密度高，但生產(chǎn)工藝難以統(tǒng)一。
規(guī)模的擴大和技術(shù)的進步是降低電池成本，提高競爭力的主要途徑。近年來，國內(nèi)電池企業(yè)持續(xù)增加研發(fā)投入，2018年上半年，寧德時代研發(fā)投入為7.18億元，約占營業(yè)收入93.6億元的7.6%，研發(fā)人員占到員工數(shù)量的五分之一。同期，國軒高科的研發(fā)投入約為1.32億元，占營收的5.1%。此外，宣布每年將投入銷售額的5％作為研發(fā)經(jīng)費的還有力神電池和比克電池，后者在過去三年累積研發(fā)投入超過3億元。
正視差距
與中國電池企業(yè)相比，日韓企業(yè)在高鎳電池上已先行一步。
其中，日本松下可謂一路領(lǐng)先。從2008年開始向特斯拉配套供應(yīng)圓柱電池開始，松下不斷改進正極材料，并先后推出了NCM18650電池和比能量高達340Wh/kg的NCA21700電池。
韓國企業(yè)也較早布局NCM811電池。其中，LG化學(xué)計劃在將推出第三代軟包動力電池，單體電芯能量密度目標(biāo)為270-280wh/kg，比目前量產(chǎn)的能量密度高出50%。已方形電池為主要產(chǎn)品的三星SDI則在研發(fā)其第4代電池，單體能量密度可達270-280Wh/kg，預(yù)計2021-2022年間實現(xiàn)量產(chǎn)，第5代電池將于2023年以后量產(chǎn)，電池單體能量密度將達到300Wh/kg。
高工產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，上述三家韓國電池企業(yè)2017年的研發(fā)投入高達35億元、28億元和10億元。
然而，韓國企業(yè)的高鎳電池研發(fā)進程并不如想象的順利。此前，LG化學(xué)、SK創(chuàng)新相繼宣布推遲其NCM811電池量產(chǎn)計劃。多位電池業(yè)內(nèi)人士猜測，推遲量產(chǎn)的主要原因在于NCM811軟包及方形電池的安全性還存在缺陷。
王芳表示，品質(zhì)控制是企業(yè)在競爭中勝出的關(guān)鍵，產(chǎn)品性能、安全、壽命和成本是否能夠與對手去競爭，才是企業(yè)需要重點關(guān)注的。
“擁有高一致性、高安全性的電池才更有市場競爭力。”墨柯在采訪中提到，近年來，中國電池行業(yè)在技術(shù)和規(guī)模上發(fā)展迅速，電池技術(shù)與日韓企業(yè)的差距已不大，但中國電池企業(yè)在一致性上仍落后一大截，中國領(lǐng)先的電池企業(yè)，距離日韓企業(yè)有近兩到三年的差距。
一致性，是指電池包內(nèi)全部電芯全生命周期內(nèi)全部特性參數(shù)的一致性，單個電芯容量衰減、內(nèi)阻增長以及老化速度的不一致，將直接影響電池包的壽命，甚至是電動汽車的安全。
“日韓企業(yè)生產(chǎn)過程中的不良產(chǎn)品已達到萬里挑一，中國企業(yè)還做不到。”墨柯說。
安全命門
中科院院士歐陽明高曾在公開演講中多次強調(diào)，“對于高比能量動力電池來說，安全性是第一位。”
多位電池業(yè)內(nèi)人士在接受界面新聞記者采訪時表示，近來頻繁發(fā)生的電動汽車自燃，與目前市場上過度強調(diào)提高電池能量密度而忽視安全問題密切相關(guān)。
隨著6月12日新能源汽車補貼新政的正式實施，對動力電池比能量的要求明顯提高，由去年的80Wh/kg提升至120Wh/kg。未來，該指標(biāo)還將進一步提升。
中國汽車技術(shù)研究中心的數(shù)據(jù)顯示，2017年，中國動力電池的平均比能量為115Wh/kg左右，這一數(shù)字在2018年已快速增長至139Wh/kg。過半車型都能拿到1.1倍補貼。
按照2018年純電動乘用車國家補貼表述和技術(shù)要求，電池比能量達到140Wh/kg的可獲得1.1倍的補貼，高于160Wh/kg的按1.2倍補貼。
猛獅科技研究院院長鄧中一認(rèn)為，單純追求高能量密度是件高風(fēng)險的事情，必然會犧牲動力電池的安全性和循環(huán)壽命。“只有在保證安全，以及成本和壽命都可接受的情況下，高能量密度才有意義。”他指出。
“目前車企對高鎳811材料電池的需求非常旺盛，但出于安全考慮，暫時還不敢大量使用該種電池。”一位不愿具名的電池行業(yè)分析師告訴界面新聞記者。
他指出，企業(yè)為了達到政策對于能量密度的要求、拿到補貼，在快速壓低售價、有限的研發(fā)成本和時間投入的壓力下，往往會選擇在安全性上有所退讓。
但高鎳811材料并不是導(dǎo)致安全性下降的主導(dǎo)因素。李艷斌向界面新聞記者表示，電池的安全性并不是某一種材料決定的，而是由系統(tǒng)決定，這其中既包括隔膜、電解液、工藝和生產(chǎn)管控，也包括電池管理系統(tǒng)和PACK。
“提高電池能量密度，不只需要進行材料改進，不能把安全壓力過于集中在電池上，應(yīng)對全過程進行改進。”她說。
