与政策无关,三元材料是2015年动力电池的发展趋势

老张

【第一电动网】(专栏作家 老张)2015216日,科技部发布了《国家重点研发计划新能源汽车重点专项实施方案(征求意见稿),其中明确要求了2015年底轿车动力电池能量密度要达到200Wh/kg。一时间,让无数人将目光投向了三元材料。

在锂离子电池当中,由于正负极容量的差异,正极材料往往是影响电池能量密度的瓶颈所在。因此,采用不同正极材料的锂离子电池之间,其特性也存在着或多或少的区别。常见的正极材料有四种,分别是片装的钴酸锂和镍酸锂;尖晶石结构的锰酸锂;橄榄石结构的磷酸铁锂;以及三元材料。

那么到底什么是三元材料?顾名思义,三元材料,就是三种电极材料共融而成的复合电极材料。理论上兼具每种电极材料的特性和优势。目前最常见的是NCANCM

NCA指的是镍钴铝酸锂(与政策无关,三元材料是2015年的发展的趋势)三元材料。它源自于镍酸锂(与政策无关,三元材料是2015年的发展的趋势)材料的发现。这种电池容量较高,相应的稳定性较差,此时,掺杂了一些铝,以稳定其结构。常见的分子式为(与政策无关,三元材料是2015年的发展的趋势)。严格意义上说,NCA可能并不属于三元材料,而改性的二元材料。特斯拉Model S上使用的就是这种电池。

NCM是目前最主流的三元材料,也被认为是未来的发展趋势。NCM指的是镍钴锰酸锂(与政策无关,三元材料是2015年的发展的趋势)三元材料。通过调配镍、钴、锰三者的比例,得到不同的电极特性。

与政策无关,三元材料是2015年的发展的趋势

目前国内的路线仍以磷酸铁锂为主。磷酸铁锂有较好的循环稳定性能,成本也比较低。其理论能量密度大概在160Wh/kg。目前,比亚迪的单体电池,能量密度已经达到了130Wh/kg。几乎到达了能量密度的天花板。当然研究工作者在对进一步提高磷酸铁锂电池的性能做着许多的工作。比如掺杂一元或者多元的离子之后,获得了更高的容量,1C放电比容量超过120mAh/g。但是要注意到提高比能量不一定能同比提高电池的能量密度,另外材料的稳定性、安全性、材料成本、加工工艺的复杂化等一些列的问题,也仍待解决。因此,这些振奋人心的实验室数据,要想变成产品参数,仍有相当长的一段路要走。

锂酸铁锂的先天不足,使更多的企业开始注意三元材料。大部分磷酸铁锂的生产厂家,都开始关注三元材料的开发。其中一些(如天津力神、中航锂电)已经开始批量的三元材料锂电池的生产。

三元材料对比锂电池,到底有什么优势。从下表看看各种正极材料的能量密度参数。

材料种类

材料容量

电压

电池容量(石墨负极)

改性锰酸锂

110 mAh/g

4.0 V

140 Wh/kg

磷酸铁锂

155 mAh/g

3.4 V

160 Wh/kg

三元材料NCM

160 mAh/g

3.8 V

220 Wh/kg

三元材料NCA

200 mAh/g

3.8 V

250 Wh/kg

从表上看,三元材料的理论比容量和能量密度的理论值要比磷酸铁锂乐观得多。目前实际的产品参数又如何呢?美国JCS生产的NCA/C45Ah电池,比能量密度在151mAh/kg,确实高于磷酸铁锂,但是离2015年的目标仍有不小的距离。同时,由于国内三元材料的起步较晚,与国外的技术水平有不小的差距。同时,规避知识产权壁垒也是要考虑的问题。

论述了三元材料和磷酸铁锂的若干参数之后,笔者谈一下自己的观点:

对于高能量高性能的追求,是技术发展的必然方向。即使国家不颁布《征求意见稿》,三元材料也是2015年电极材料的重要方向。磷酸铁锂、钴酸锂在未来已经不能给我们什么惊喜,除了生产,也没有太多的“故事”可讲。因此,不论是企业、高校、研究机构、还是金融机构,为各自利益,把资源投向三元材料是必然的事情。

松下三元电池

松下三元电池

仅对于市场而言,比起增加的续航里程来说,更关心的电动车可能是使用了三元材料之后,车是不是更贵了,电池使用寿命是不是更短了,是不是更不安全了。因为提高30%甚至50%的续航里程,对目前国内的消费者需求来说,仍然是不够的。性能不是唯一,铅酸电池就是最好的例子,因为他足够便宜,足够稳定,虽然能量密度很差,循环寿命也不高,但是扔稳稳坐定二次电池的霸主地位。三元材料在充分市场化之后,势必对磷酸铁锂电池的市场份额造成影响,但笔者认为两者技术会长期同时存在。随着未来应用市场的细化,各种技术“各司其职”,在各自的领域开疆辟土。

目前来讲,如果和燃油车相比,没有任何一种电池技术能真正满足动力电池的技术要求。三元材料即使达到了2015年的政策目标之后,又将如何?未来再寄希望于石墨烯材料还是富锂高锰层状材料?技术的发展永无止境,但是技术的进步需要充足的时间。我不否认某项技术的重大突破可能引发一场技术革命,但是我们不能寄希望于此。技术的发展在,用“谋事在人,成事在天”这句古话来形容再贴切不过了。既要有主观的决心,又要对客观规律有充分的尊重。当有人问,三元材料能不能达到市场的需求时,我只能说,走着瞧了。

随着各种电极材料技术走向瓶颈期,笔者臆断:锂离子动力电池的生命将走向终结。如果解决电动车问题,要寄希望于新的电化学体系、新的电池技术出现。那么问题是,是先有了技术再发展电动车,还是有了电动车之后再去开发电池技术?这是一个无解的问题。但是在有市场催化效应存在的时候,肯定是件好事。在风口猪未必真能飞起来,但是顺风的鸟肯定会更轻松一些,但别飞过头了。丰田公司是非常值得学习的一个技术开发案例。基于镍氢电池的混合动力技术营造了电动车的市场神话,同时潜心研究FCV技术,并于2015年投放市场。这说明新技术开发成功与否,并不是一两篇论文、一两个专利能解决的。需要对市场有充分地认识,同时需要有足够的资源来维持。比如国内一些开发新电池体系中小型企业却因为生存问题,纷纷转型。如何解决“想做”、“会做”、“能做”、“坚持做”的问题,可能是我们优先于技术本身更要考虑的问题。

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电池行业从业人员。长期从事“非主流”电池技术的开发工作。对电池界的新技术,新思路,很感兴趣。希望能和大家多多交流。


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