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NCM811能“擔”起新能源汽車的未來嗎?

在新能源汽車中,動力電池仍然是純電動汽車的核心零部件,在整車的價值中占比頗高。雖然近幾年來動力電池的價格在逐年下降,且高端車配套的增值服務,或者配件會攤薄動力電池的價值占比,但即便是這樣,目前動力電池仍然在純電動汽車中的價值占比最高的超過了40%。
就拿2019年市場上推出的主流代表車型來說,華泰證券研究所的分析師對比亞迪秦Pro、吉利幾何A、北汽EU5、廣汽Aion S、特斯拉model3的電池成本與整車成本進行了比較,詳細見表1.
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表1:2019年主流車型的電池價值占比測算。

汽車動力電池技術的發展路徑

既然動力電池在純電動汽車中的價值如此之高,那動力電池目前的發展狀況如何呢?隨著電池技術的進步,長續航里程的純電動汽車將是新能源汽車發展的最終目標。要實現這個目標,就需要更高能量密度的電池,來滿足更高的續航里程。
目前常用的動力電池包括鋰離子電池、鎳氫電池,以及燃料電池。不同的電池,特點不用,應用領域也不相同,比如鎳氫電池功率和安全性能較高,在混合動力汽車中發揮優勢;鋰離子電池能量密度較高,且可以繼續提升,是純電動汽車的首選;燃料電池加氫速度快,可以更快地完成能量補充過程。
長遠來看,新能源汽車對動力電池的需求將向著高能量密度(包括質量能量密度和體積能量密度)、高安全性發展,同時需要解決其充電時間比傳統內燃機加油時間過長的問題。
我們從寧德時代公布的一個動力電池能量密度發展規劃圖也可以看出,未來動力電池發展的路徑大致會是:鎳氫電池-傳統鋰離子電池-全固態鋰離子電池-燃料電池-鋰空氣電池的進程。
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圖1:寧德時代公布的動力電池能量密度開發路線圖。

NCM811成為動力電池的新寵

就目前而言,鋰離子電池還處于液態鋰離子電池體系下,但在高能量密度需求,以及低鈷化降成本需求下,趨勢動力電池向高鎳三元方向發展。
2016年到2018年,新能源乘用車產量在逐年增加,三元鋰電池裝機量也一路攀升,2018年動力電池裝機量達到56.4GWh,三元鋰電池裝機量為33.5GWh,占比近60%,首次超過了磷酸鐵鋰鋰電池成為市占第一的動力鋰電池。
目前不論是國際,還是國內動力電池企業,都朝著300Wh/Kg的能量密度目標邁進,在三元鋰電池中,必須向高鎳方向挺進才能實現。而在高鎳三元鋰電池上,目前有兩種路線,分別是鎳鈷鋁(NCA)體系和鎳鈷錳(NCM)體系。其中NCA主要是松下配套給特斯拉在用,其余大部分都是NCM體系。
NCM是指正極材料由鎳鈷錳三種材料由一定比例組合而成。在高鎳三元材料中,鎳的主要作用是提供電池容量,其含量越高,電池的能量密度就越大;鈷元素在共獻一部分容量的同時,起穩定結構的作用;錳/鋁主要用來穩定三元體系結構。
目前,全球的三元動力鋰電池都開始從中低鎳(如3:3:3;5:2:3)向高鎳(如6:2:2往8:1:1)轉換。
NCA的正極材料是由鎳鈷鋁構成,鋁可以起到提高電池循環化學穩定性的作用,搭配在NCA體系中,鎳含量可以得到一定提升,從而實現更高的電池能量密度。至于NCA中鎳的含量,不同企業生產過程中會有所區別,但鎳含量的占比至少在80%以上。由于NCM811與NCA動力電池能量密度相對更高,續航能力更強,所以成為了近幾年電動汽車電池在新能源補貼環境下進行技術突破的首選。
目前,由于日本的NCA電池技術發展較為成熟,主要是以松下為代表的日本企業在主推NCA電池的生產。中國企業與韓國企業則更偏好大力發展NCM811。造成這一現象的原因是什么呢?
NCA與NCM811在生產工藝與成本上會體現出部分差異。
NCM811的合成方法主要是高溫固相燒結法,穩定性和安全性能相較于NCA稍差,此外,其儲存和加工條件也十分苛刻。
NCA電池的克容量相比于NCM811要稍高,安全性能相對更好,但對制作工藝水準要求高且實際生產成本較NCM811更高。NCA容易在高溫下發生崩塌導致熱失控,且pH 值過高易使單體脹氣,進而可能引發危險。
目前國內NCM811電池的量產代表企業為比克電池,其生產的NCM811電池已經與江淮、小鵬汽車等實現合作。
寧德時代的NCM811電池也已經在給廣汽新能源Aion S供貨了。寧德時代的這款NCM811動力電池的電芯能量密度為240Wh/Kg,Pack能量密度達到了170Wh/Kg,工況續航里程達到510km。此外,寧德時代也已經開始批量給吉利幾何A和蔚來ES6供貨了。
比亞迪也曾經表示今年會量產NCM811電池。
在國外,雖然韓國鋰電池巨頭LG化學、SKI和三星SDI都在積極備戰高鎳NCM811,但在產業化進展上卻不盡人意。比如說SKI曾預計2018年8月份會批量生產用于電動汽車的NCM811電池,但現在卻推遲到了今年第三季度才會正式量產。
而國內NCA電池實現量產的企業則以天津力神與天鵬電源為代表,NCA電池系統能量密度最高能達到180Wh/kg,平均系統能量密度也已經能達到140-160Wh/kg。
雖然中國大部分電池企業都提出正在大力發展NCM811電池,但目前在國內真正實現量產并裝車的高鎳三元電池,NCA的發展速度甚至要更快。目前,江淮、北汽新能源、長安、寶駿、知豆等多款車型均已開始配套NCA電池,電池的能量密度與整車的續航里程都得到了大幅提升。

NCM811還面臨哪些挑戰?

雖然NCM811的能量密度更高了,但隨著三元材料鋰電池中鎳的比例提高,錳的比例降低,材料的熱穩定性就會變差。
在NCM811電芯中,鎳的比例已經達到非常高值,隨著電池使用期的增長,快充次數增加,在遇到過充過放、高溫、外力沖擊等情況時,即便是電池內部溫度還處于設定安全狀態,電芯正負極析氧或析鋰發生電化學反應等導致熱失控的風險都會很高,電池安全性會急速下降。
隨著 NCM811 技術研發進程的加速,國內企業相繼提出了一些解決NCM811安全問題方案,并實現量產運用到相應的車型上。以寧德時代為例,該公司從電芯環節通過機械設計和化學設計來應對安全和熱失控問題,而模組環節采用多個溫度傳感器實時監測,電池包環節運用業界首創阻燃技術進一步解決NCM811帶來的安全問題。目前,寧德時代NCM811電池已經實現量產,蔚來 ES6 和合眾U等車型預計將在2019年下半年上市并采用該款NCM811電池。
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圖2:保證NCM811電池安全性的解決方案。
雖然電池廠商和汽車制造商提出了一些解決方案,但不斷出現的電動汽車燃燒事件,讓消費者心中充滿擔憂。
有人認為,電池不會一開始過充或者快充就會出現問題,而有研究發現電池在快充300~500次之后,穩定性會逐漸變差。因此,他們擔心這類新型動力電池的安全性是否能夠得到足夠的保證。

結語

關于新能源汽車的動力電池問題 ,筆者曾經聽一些從事新能源汽車的工程師說,由于現在動力電池的能量密度普遍較高,為了滿足用戶快速充電的體驗,有的企業開始將電池真實容量的80%標注顯示為100%,這樣,所有的電池就都能在半小時之內快速充電到100%了。
這種做法從法律上將并沒有什么過錯,雖然電池沒有完全充滿,但也能達到你的使用需求,跟說明書上標注的續航里程數也是一致的。但筆者總感覺怪怪的。
NCM811這類高能量密度動力電池能否讓新能源汽車更讓消費者接受,還需要看它的安全性是否經得起時間的考驗。
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新能源電池組怎樣選擇適合的導熱硅膠片?很多人都認為導熱硅膠片在新能源汽車電池上的應用,跟新能源汽車電池包的散熱方式(液冷、...
發表于 09-21 16:22 ? 456次 閱讀
新能源電池組怎樣選擇適合的導熱硅膠片

Agitek-某高校新能源汽車工程測試方案搭建案例

為大力發展新能源交通運載技術,應客戶要求安泰為某高校搭建測試方案如下: 1. 綜合性大學新能源汽車工程中心方案 MSO2024B...
發表于 09-17 15:49 ? 269次 閱讀
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可靠鋰離子電池LTC6802監視平臺

用于混合動力/電動汽車的可靠鋰離子電池監視系統...
發表于 09-09 13:22 ? 207次 閱讀
可靠鋰離子電池LTC6802監視平臺
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