一、主流電動(dòng)車對(duì)鋰電正極的選擇

 

正極材料作為電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池的核心，目前商業(yè)化應(yīng)用于電動(dòng)汽車的主要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和包含鎳鈷錳酸鋰（(Li NixCoyMn1－x－yO2，NCM)和鎳鈷鋁酸鋰（Li Ni1－x －yCoxAlyO2，NCA）兩種的三元材料。其中國(guó)內(nèi)新能源汽車主流用正極材料為磷酸鐵鋰，比如比亞迪。以特斯拉為代表的新能源汽車企業(yè)主流用正極材料為三元材料。日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車采用的是錳酸鋰正極材料動(dòng)力電池。

 

表1. 世界主流電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力鋰電池正極材料的選擇

 

 

表2. 國(guó)內(nèi)主流電動(dòng)車型動(dòng)力鋰電池正極材料的使用情況

 

 

二、幾種正極材料之優(yōu)劣對(duì)比

 

1.磷酸鐵鋰

 

磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料具有原材料豐富、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是由于磷酸鐵鋰電池一致性和能量密度較低，制約了其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展。目前，業(yè)界一般認(rèn)為磷酸鐵鋰比較適于儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要應(yīng)用于基站和數(shù)據(jù)中心儲(chǔ)能、家庭儲(chǔ)能、風(fēng)光電儲(chǔ)能等領(lǐng)域。

 

2.  錳酸鋰

      

Li Mn2O4是Wichham在 1958 年首先制備的正極材料，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、熱穩(wěn)定性高。日本 AESC 公司將其實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。主要用在日產(chǎn)聆風(fēng)電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池。錳酸鋰材料具有資源豐富、成本低、無(wú)污染、安全性好、倍率性能好等優(yōu)點(diǎn)，是理想的動(dòng)力電池材料，在產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程中需要改善其較差的循環(huán)性能及電化學(xué)穩(wěn)定性。

 

3. 三元材料

 

三元材料Li NixCoyM1-x-yO2，M為錳（Mn）或鋁（Al）稱“NCM”或 “NCA”是目前最有前途的動(dòng)力鋰電正極材料之一。

 

3.1  鎳鈷錳三元材料（NCM 材料）

 

鎳鈷錳三元材料（NCM）隨著材料中鎳（Ni）、鈷（Co）、Mn組成比例的變化，材料的比容量、安全性等諸多性能能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)可調(diào)控。Ni可以提高材料的放電容量；Co能減少陽(yáng)離子混排情況的發(fā)生，有效穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)；Mn既能提高材料的安全性和穩(wěn)定性，又能降低材料的成本。目前在電動(dòng)汽車上廣泛使用的是Ni、Co、Mn比例分別為1∶1∶1或5∶2∶3的（簡(jiǎn)稱NCM111及NCM523材料）體系。高鎳NCM622材料（Ni、Co、Mn比例為 6∶ 2∶ 2）是目前三元材料研究的熱點(diǎn)之一。與已批量使用的NCM111材料相比，NCM622材料的比容量要高出 10%以上。NCM622材料的應(yīng)用有望將動(dòng)力電池的能量密度提升至 200Wh/kg。為此，少數(shù)國(guó)內(nèi)外領(lǐng)先的正極材料企業(yè)重點(diǎn)投入NCM622材料的開(kāi)發(fā)。國(guó)內(nèi)如北京當(dāng)升材料科技股份有限公司，在已有三元材料的基礎(chǔ)上，順利攻克了NCM622材料安全性能、循環(huán)性能、低溫性能等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品的放電比容量、倍率性能、高低溫充放電性能和常溫循環(huán)壽命優(yōu)異，綜合性能處于國(guó)際領(lǐng)先水平。北汽等國(guó)內(nèi)知名車企已開(kāi)始量產(chǎn)以NCM622為正極材料的純電動(dòng)汽車。

 

3.2 鎳鈷鋁酸鋰三元材料（NCA 材料）

 

鎳鈷鋁酸鋰三元材料（典型分子式為L(zhǎng)i Ni0.8Co0.15Al0.05O2，簡(jiǎn)稱NCA）綜合了Li NiO2和Li CoO2的優(yōu)點(diǎn)，不僅可逆比容量高，材料成本較低，同時(shí)摻鋁（Al）后增強(qiáng)了材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。NCA材料也是目前研究最熱門的三元材料之一。

 

NCA材料具有優(yōu)異的性能，應(yīng)用領(lǐng)域也由最早的電動(dòng)工具擴(kuò)展為電動(dòng)汽車，如AESC為日產(chǎn)（Leaf）、Panasonic為美國(guó)Tesla、PEVE為豐田（Pruis α）等車型提供的動(dòng)力電池，其正極材料全部或部分為NCA材料。

 

2013年，美國(guó)Tesla正是由于動(dòng)力電池正極材料使用了NCA材料，使汽車?yán)m(xù)航里程大幅提升，一舉成為世界電動(dòng)汽車領(lǐng)域最耀眼的新星。據(jù)報(bào)道，TeslaModel S的電池模塊總?cè)萘扛哌_(dá) 85k Wh，使用了約7600顆 3.1Ah的 18650電池。其單體電池的能量密度為252Wh/kg，電池模塊的能量密度超過(guò)150Wh/kg，遠(yuǎn)高于當(dāng)前行業(yè)80～120Wh/kg的平均水平。NCA材料的一些性能指標(biāo)雖然表現(xiàn)優(yōu)秀，但是材料的制備難度高。這類材料的開(kāi)發(fā)和使用在日韓的先進(jìn)企業(yè)中已經(jīng)成熟并進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)階段。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)如當(dāng)升科技、湖南杉杉新材料有限公司、深圳天驕科技開(kāi)發(fā)有限公司等已完成相關(guān)技術(shù)的初步探索，進(jìn)行了中試和小批量試產(chǎn)。但由于多種因素的影響，NCA材料未在國(guó)內(nèi)形成批量生產(chǎn)及銷售，尚有一些技術(shù)問(wèn)題需要解決?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著電動(dòng)汽車市場(chǎng)的興起，NCA材料的需求會(huì)大幅增加。國(guó)內(nèi)企業(yè)需借此機(jī)會(huì)，加大投入，提前進(jìn)行NCA材料國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)工作。

 

表3. 不同典型動(dòng)力鋰電池正極材料的性能

 

 

三、正極材料未來(lái)發(fā)展方向及展望

 

電池市場(chǎng)的產(chǎn)能和產(chǎn)量的增加，帶動(dòng)了鋰離子正極材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，《中國(guó)節(jié)能與新能源汽車國(guó)家規(guī)劃（2012～2020）》中提出，到2020 年動(dòng)力電池能力密度提高到 300 瓦時(shí)/千克以上。目前傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池將無(wú)法滿足這一目標(biāo)，企業(yè)必須研發(fā)生產(chǎn)比容量高的新型正極材料。

 

德國(guó)大眾汽車的技術(shù)專家認(rèn)為，未來(lái)動(dòng)力鋰電池提升能量密度的主要方案在于正負(fù)極材料的選擇，隨著能量密度的不斷提升，正極材料從三元材料（NCM111 ）逐步向高鎳三元材料（NCM 811）過(guò)渡，最后發(fā)展為富鋰材料。多元材料體系中，隨著鎳含量提高，能量密度不斷提升。目前技術(shù)相對(duì)成熟的是常規(guī)的NCM111，材料的比容量達(dá)到 158m Ah/g。但是該材料的成本相對(duì)較高，而且由于3M 的專利壟斷進(jìn)一步增加了專利使用成本，因此動(dòng)力鋰電企業(yè)為了降低成本和規(guī)避專利問(wèn)題、同時(shí)為了尋求更高能量密度的材料，逐漸轉(zhuǎn)向了高鎳三元材料NCM523，甚至是NCM622和NCA。動(dòng)力型高鎳多元材料 NCM622 和 NCA 將成為電動(dòng)汽車用鋰電池的首選正極材料。

 

為了滿足2020 年動(dòng)力電池能力密度提高到 300 瓦時(shí)/千克以上的目標(biāo)，高鎳三元材料之后，正極材料最后將朝著富鋰材料方向進(jìn)行發(fā)展。富鋰材料具有大的比容量( ≥250 m Ah /g) 和高的放電電壓( 3. 8 V) ，理論能量密度高達(dá)900 Wh /kg，循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)是未來(lái)動(dòng)力電池的理想正極材料。美、日等國(guó)提出要在 2020 年下一代鋰離子電池的能量密度達(dá)到 300 Wh/kg，2030 年能量密度則達(dá)到500 Wh / kg。工信部在《中國(guó)制造2025》明確提出要建立和健全富鋰層氧化物正極材料 /硅基合金體系鋰離子電池下一代鋰離子動(dòng)力電池和新體系動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)鏈。

 

四、全球正極材料產(chǎn)銷分析

 

車用鋰電池目前主要使用的正極材料為磷酸鐵鋰（中國(guó)新能源汽車主流用正極材料）和三元材料（以特斯拉為代表的新能源汽車企業(yè)主流用正極材料）。因此，從2014年開(kāi)始三元材料和磷酸鐵鋰正極材料的產(chǎn)量開(kāi)始暴增，其中磷酸鐵鋰從2013年的0.8萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2016年的7.48萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率為110.67%。三元材料的產(chǎn)量從2013年的3.9萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2016年的12.90萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率49%。

 

圖1. 全球主要正極材料歷年產(chǎn)量情況

 

 

圖2. 全球正極材料歷年產(chǎn)量及需求量    數(shù)據(jù)來(lái)源：EVTank、中國(guó)電池網(wǎng)、真鋰研究、澄泓研究

 

隨著新能源汽車行業(yè)以及儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，預(yù)計(jì)未來(lái)正極材料行業(yè)在細(xì)分的磷酸鐵鋰以及三元材料方面將成為正極材料產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

 

五、國(guó)內(nèi)正極材料產(chǎn)銷分析 

 

中國(guó)在正極材料發(fā)展前進(jìn)的道路上，技術(shù)路線之爭(zhēng)一直不斷。目前，主流的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及三元材料。在2014年之前，我國(guó)鋰離子電池發(fā)展的重心主要為消費(fèi)類鋰電池產(chǎn)品，因此隨著2014年新能源汽車行業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，鋰離子電池的發(fā)展重心已由3C類變成車用動(dòng)力電池，因此正極材料的行業(yè)發(fā)展，也更加偏向于磷酸鐵鋰和三元材料。

 

圖3. 國(guó)內(nèi)主要正極材料歷年產(chǎn)量情況

從我國(guó)歷年來(lái)各類正極材料的產(chǎn)量情況來(lái)看，磷酸鐵鋰產(chǎn)量從2011年的0.23萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2016年的7.4萬(wàn)噸，5年間整整增加了30多倍，可謂是發(fā)展迅速，當(dāng)然這也和國(guó)內(nèi)新能源汽車動(dòng)力電池近幾年主要使用磷酸鐵鋰正極材料有關(guān)。三元材料方面，其產(chǎn)量從2011年的0.63萬(wàn)噸，增長(zhǎng)到2016年的6.5萬(wàn)噸，年復(fù)合增長(zhǎng)率59.48%。