高能量密度鋰離子電池正極材料鎳鈷鋁酸鋰(NcA
來源：未知
2019-02-21 13:52
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經(jīng)歷了50多年來年度霧霾天數(shù)之最的2013年和濃霧籠罩近6億人口的2014年，人們將目光集中在PM2.5這個環(huán)境污染的熱門話題，而傳統(tǒng)內燃機汽車排放的尾氣是PM2.5的最主要來源，因此新能源電動汽車的發(fā)展已成為大勢所趨；同時隨著能源危機的日益加重，電動汽車的開發(fā)和應用成為全球關注的焦點?；诖?，世界上大部分國家如美、中、日、韓等國家提供優(yōu)惠政策和資金爭相支持各自的相關企業(yè)全力開發(fā)電動汽車，以搶占市場先機。中國政府也把電動汽車產業(yè)作為汽車產業(yè)轉型升級而優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產業(yè)，近幾年，在中央和地方政府電動汽車開發(fā)項目和購車補貼政策的鼓勵下，我國的電動汽車迎來爆發(fā)性的增長。2014年我國電動汽車銷量達到7.48萬輛，同比增長3.2倍，2015年上半年銷量達8.96萬輛，同比增長2.6倍。據(jù)有關部門預測，到2020年中國的電動汽車市場規(guī)模有望超過500萬輛。因此電動汽車市場將來必是一片火紅的“高粱地”。 動力電池性能是決定電動汽車發(fā)展的限制性因素，現(xiàn)階段由于動力電池續(xù)航能力不足、充電速度慢、成本偏高等問題制約了電動汽車普及發(fā)展，這也是讓很多消費者望而卻步的主要原因，動力鋰電的性價比在很大程度上影響了電動汽車的市場普及程度。正極材料是動力鋰電的核心關鍵材料，正極材料的能量密度高低與電動汽車的續(xù)航里程息息相關，而且其成本約占鋰電池電芯成本的1/3，所以開發(fā)出高能量密度、長壽命、高安全、低成本的正極材料對動力鋰電、電動汽車的規(guī)模化商用至關重要。 目前國內外動力鋰電正極材料技術路線主要有3個流派：磷酸鐵鋰派、錳酸鋰派、三元派〔鎳鈷鋁酸鋰(NCA)和鎳鈷錳酸鋰(NCM)〕。其中磷酸鐵鋰作為正極材料的電池充放電循環(huán)壽命長，但其缺點是能量密度、高低溫性能、充放電倍率特性均存在較大差距，且生產成本較高，磷酸鐵鋰電池技術和應用已經(jīng)遇到發(fā)展的瓶頸；錳酸鋰電池能量密度低、高溫下的循環(huán)穩(wěn)定性和存儲性能較差，因而錳酸鋰僅作為國際第1代動力鋰電的正極材料；而多元材料因具有綜合性能和成本的雙重優(yōu)勢日益被行業(yè)所關注和認同，逐步超越磷酸鐵鋰和錳酸鋰成為主流的技術路線(見表1)。尤其是以2013年異軍突出的特斯拉(Tesla)電動汽車為代表，其推出的Tesla Model S續(xù)航里程可達480km，其圓柱型電芯所采用的正極材料為NCA(見圖1)。從電池能量密度和電動車續(xù)航里程來看，含鎳(Ni)的三元系優(yōu)勢明顯，特別是高Ni三元系(NCA)材料制作的電池。 表1 鋰離子電池正極材料性能指標對比
圖1 特斯拉電動汽車和18650圓柱型NCA電池 高能量密度動力鋰電的需求帶動了高比容量的高Ni一元材料的應用和持續(xù)提升，并隨著美國Tesla的熱賣，鋰電企業(yè)如日本的Panasonic、AESC、Nissan及韓國LGC、SKI、Samsung都把材料選擇重點放在了高鎳多元材料上面，由常規(guī)的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(簡稱NCM111)、逐步轉向高鎳含量的多元材料LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(簡稱NCM523)、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(簡稱NCM622)、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(簡稱NCM811)和更高鎳的Ni含量為80%～89%的NCA材料。 北京當升材料科技股份有限公司(簡稱“當升科技”)多年來一直站在國際鋰電正極材料開發(fā)及產業(yè)化的前沿，致力于高能量密度動力電池正極材料的開發(fā)，始終堅持把三元材料作為動力電池的主要研發(fā)方向，從2011年就開始研發(fā)高Ni多元材料，目前開發(fā)的NCM622產品性能達到了國際先進水平，并通過國外客戶測試認證和批量應用，同時在進行更高能量密度的NCA、NCM811產品開發(fā)，本文結合當升科技在高鎳材料開發(fā)的經(jīng)驗，綜合介紹近期高能量密度鋰離子電池正極材料鎳鈷鋁酸鋰NCA的研究現(xiàn)狀。 一、NCA材料的產業(yè)化應用現(xiàn)狀 NCA材料(典型的組成為LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)綜合了LiNiO2和LiCoO2的優(yōu)點，不僅可逆比容量高，材料成本較低，同時摻鋁(Al)后增強了材料的結構穩(wěn)定性和安全性，進而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性，因此NCA材料是目前商業(yè)化正極材料中研究最熱門的材料之一。 2014年全球NCA銷售總量約為6 000t，占全部正極材料銷量(約12 5000t)的5%左右。日本化學產業(yè)株式會社、戶田化學(Toda)和住友金屬(Sumitomo)是NCA材料的主要供應商，韓國的Ecopro和GSEM也有產品銷售，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。目前NCA產品主要的應用領域為電動汽車和小型電池，如AESC為日產(Leaf)、Panasonic為美國Tesla、PEVE為豐田(Pruis α)等車型提供的動力電池，小型電池主要為電動工具和充電寶使用的圓柱形電池。 Tesla在2014年用NCA動力電池的純電動車銷量達3.1萬輛，目前正攜手松下在內華達州興建一座電池廠，其2015年的汽車銷量目標不低于5萬輛，并力爭到2020年實現(xiàn)50萬輛的年銷量，預計使用正極材料NCA用量為6.25萬t。在Tesla效應的帶動下，國內已有多家企業(yè)開始中試和小批量試產，如當升科技、湖南杉杉新材料有限公司、深圳天驕科技開發(fā)有限公司(簡稱“深圳天驕”)、寧波金和新材料股份有限公司等。其前驅體生產廠家有當升科技、金瑞新材料科技股份有限公司、湖南邦普循環(huán)科技有限公司、深圳天驕等。與國外同行相比，國內生產企業(yè)雖已完成相關技術的初步探索，但受到國內外市場上常規(guī)鎳錳鈷多元材料(NMC)價格的持續(xù)走低及以市場需求仍以小型消費類電池為主等因素的綜合影響。NCA材料未在國內形成批量生產及銷售，尚有一些技術問題需要解決?？梢灶A見，隨著電動汽車及儲能市場的興起，NCA材料的市場需求會大幅增加。國內企業(yè)需要借此機會，加大投入，提前進行NCA材料國產化開發(fā)工作。 NCA材料的一些性能指標雖然表現(xiàn)優(yōu)秀，但是其規(guī)?；纳虡I(yè)化道路漫長而曲折，NCA鋰離子電池要實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應用，還面臨諸多的技術挑戰(zhàn)。 |
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