三元短期地位不改 锂电池将迎“高镍时代”

中国电池联盟 中字

日前,某证券发布了《新能源汽车将迎全球放量,上游供需持续吃紧》的分析报告。在该报告中,该证券分析认为,三元短期地位不改,811技术全面普及仍需时日,未来或将成为动力电池的主流;2019年后,金属锂和钴将持续吃紧,由于原材料的价格上涨,倒逼锂电池将向811技术迈进。

三元短期地位不改,811技术全面普及仍需时日

全球视野下锂电池未来将迎来“高镍时代” 钴、锂供需将持续吃紧

常见锂离子电池正极材料及性能参数

三元材料目前是动力电池最优之选。自锂离子电池技术普及以来,学术界出现了各种各样的电池体系,但是从实际应用来看,目前负极材料多选择石墨,而正极材料主流为钴酸锂、磷酸铁锂、三元、锰酸锂等材料。动力电池要求材料具有较高的能量密度(对应高续航里程)和高安全性,而钴酸锂由于其本身热稳定性最差(安全性差),不适用于动力电池领域(但凭借高压实密度和能量密度目前是3C 领域主流),而锰酸锂能量密度较低应用受限,磷酸铁锂作为较早研发的技术,优点是安全性极好、环保、循环寿命高,但缺点在于能量密度较低且已经接近达到天花板,而三元本身有着高能量密度上限的优势,未来随着技术继续进步,安全性问题逐步改善,在其他电池技术未实现重大突破之前,三元目前仍然是动力电池领域最优之选。

高镍三元短期普及仍有瓶颈,未来或成为动力电池主流。三元材料指是层状镍钴锰酸复合材料(锰也可替换为铝,松下NCA 技术),三元材料经过Ni-Co-Mn的协同作用(Ni 提升比容量,Co提升离子导电性和倍率性能,Mn稳定结构),结合了三种材料的优点:LiCoO2的良好循环性能,LiNiO2高比容量和LiMnO2的高安全性及低成本。

钴主要起到提升导电性和倍率性能的作用,并在高电压下提供部分容量,在三元材料体系中起到关键作用。按照镍钴锰的比例,三元可以分为111、523、622、811等,由于镍主要作用提升能量密度,故高镍三元材料(如622/811)的研发成为目前热点。分厂商来看,目前国内普遍在研发三元622和811技术,还未大规模量产,从国外来看,仅松下等几家技术最领先公司有高镍三元量产技术(松下NCA给特斯拉供货,NCA比例8:1.5:0.5)。从技术角度来看,随着三元中镍含量的提升,Ni+2/Li+1 离子混排加剧,材料的结构稳定性降低,导致循环寿命和安全性大幅降低。

证券总结了国内高镍三元难以短期大规模普及原因如下:

全球视野下锂电池未来将迎来“高镍时代” 钴、锂供需将持续吃紧

2016年中国动力电池出货量分电池比例

从技术角度:高镍三元随着镍比例提升,镍锂离子混排加剧,Ni+2混排在Li层,降低了放电比容量,阻碍了锂离子的扩散;同时由于镍在脱嵌锂过程中相变导致明显的体积变化,从而使材料结构稳定性变差,循环寿命下降;高镍正极表面更容易形成碳酸锂等杂质(镍含量超过60%后明显增多),从而与电解液发生副反应降低循环寿命,高温严重会导致胀气;随着镍增加,正极材料热稳定性降低,且放热增加,材料热稳定性变差;不同材料体系需要匹配不同电解液配方,而高镍三元由于表面杂质增多,其需要更为优化的电解液配方,而从国内技术来看电解液匹配问题也是一大难题。从应用角度:高镍三元材料由于其固有属性如结构不稳定,热稳定性和循环寿命都较差,从目前国内厂家研发进度来看,目前还没有完全解决高镍材料实际应用时的安全性问题;由于高镍三元材料在电池组装时不能接触空气,需要纯氧氛围,而由于国内电池企业都是从三元NCM111开始起步,NCM111组装并不需要纯氧氛围,所以国内电池厂几乎没有氧烧工艺,而为了量产NCM811就必须重新设计厂房和设备,而装备制造工艺的落后也是制约NCM811量产的一大难题。

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