屡屡自燃的“811电池”,为何宁德时代强调“绝不放弃”?

Winnie Lee

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连日来,数起广汽新能源Aion S汽车的自燃事故再度将人们的视线聚焦到了新能源电池的安全性上。

有Aion S车友反映,4S店通知其需要对车辆电池进行升级,这引发了人们对Aion S搭载的宁德时代811电池安全性的怀疑。

此外,又有一则网络聊天截图称,“宁德时代基本否定811路线”。

但广汽新能源方面对此明确表示:“目前广汽新能源厂家并没有批量召回旗下Aion S车型,旗下4S店针对单个电池有损坏的车辆进行召回属于正常行为”,而宁德时代也很快回应称:“宁德时代绝对不会否定和放弃811电池路线”、“多条线路并行是宁德时代发展电芯事业的核心思想,短期内811电池仍是宁德时代的主攻战略。”

处于风口浪尖的811电池究竟是什么?为何宁德时代冒着自燃事故引发的不信任风险也要坚持这一路线?

811电池:新的方向?

811电池全称为NCM811电池,NCM即是镍、钴、锰,该电池即是一种正极材料镍、钴、锰配比为8:1:1的三元锂电池。

目前,在用于新能源汽车的动力电池领域,主要有锂离子电池、氢燃料电池、超级电容电池和铝空气电池四类。

其中,铝空气电池尚处于实验室研究阶段,氢燃料电池汽车需要外部氢气加注,相关基础设施建设也相对滞后,超级电容电池的能量密度则太低,不能作为电动汽车的主能源。

而在目前最为热门的锂电池类别中,三元锂电池(包括镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)电池)和磷酸铁锂电池(LFP)是两大主流技术方向。

三元锂电池和磷酸铁锂电池这两种技术路线可以作如下几个方面的简单比较:

1. 三元锂电池储能密度更高

三元锂电池因为电压高,其能量密度基本能达到240WH/kg,几乎是磷酸铁锂电池140WH/kg的1.7倍;

2. 三元锂电池更抗低温

三元锂电池低温使用下限值为零下30度,而磷酸铁锂电池低温下限值零下20度;相同低温条件下,三元锂电池冬季衰减不到15%,磷酸铁锂电池衰减高达30%以上;

3. 磷酸铁锂电池自燃风险更低

磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500度以上,三元锂电池则低于300度,一些高镍电池热失控温度甚至低于200度;

4. 磷酸铁锂电池循环寿命更长

磷酸铁锂电池充放电循环次数大于3500次后才会开始衰减,也就是说其使用寿命可长达十年左右,但三元锂电池充放电循环次数则仅为2000次;

5. 磷酸铁锂电池制造成本更低

磷酸铁锂电池不含贵重金属,生产成本较低,三元锂电池则因为采用稀有的钴金属,其70%储量在非洲刚果金,这让其进口价格一路飙涨。

磷酸铁锂电池的代表产品为比亚迪的“刀片电池”,排名前列的国轩高科也主要研究磷酸铁锂电池,特斯拉国产Model 3使用磷酸铁锂电池;而三元锂电池路线则由宁德时代的NCM811领衔。

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(2019年主要厂商不同材料类型锂电池装机情况)

顺道提一句,宁德时代一直是两条路线并行发展,并没有“死磕”三元锂电池。

尽管自燃风险给三元锂电池的声誉造成了一定打击,政策对于新能源汽车电池安全性的监管也使得该路线面临着不确定性,但高能量密度(意味着续航里程提升)和优秀的抗低温性能(意味着更适应北方气候)仍是车企们不愿舍弃的重要优势。

在目前的纯电动汽车中,续航里程400kM以下的车型大部分使用磷酸铁锂电池,这是为了在控制成本的同时做到较高的稳定性;但在续航里程较高的高端车型中,NCM811电池仍是首选。

因此,甚至有人声称,磷酸铁锂电池正在逐渐被市场边缘化,三元锂电池将成未来动力电池的主流路线。

路线之争暂且不谈,下面我们来聊聊三元锂电池的发展历程。

NCM电池:升镍降钴之路

尽管三元锂电池分为镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种,但由于NCA材料的技术壁垒高,目前产能主要集中在日韩。在我国,三元锂电池主要指的是NCM电池。

具有不同镍、钴、锰配比的电池已经存在了近20年,其最初的商业成功来源于NCM111电池(也叫NCM333),2016年款宝马I3就使用了它。

随后,NCM442、532、622等电池相继出现,可以看出,镍的含量越来越高,这是因为镍含量越高,电池的能量密度越大。

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(不同镍含量的三元锂电池)

为了具体了解镍、钴、锰这三种元素在NCM中如何起作用,就需要先了解NCM电池的充放电原理:

三元锂电池的正极材料一般为镍钴锰酸锂,负极材料一般为碳素材料。当进行充电时,电池正极上生成的锂离子会经过电解液运动到呈层状结构的碳负极上,并嵌入到碳层的微孔中;当进行放电时,锂离子从负极碳层中脱出,又运动回正极。

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(充放电示意图)

镍和钴作为活性物质,在充放电时会发生电荷转移,锰则不参与化学反应。

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(电池正负极化学反应)

由于镍是三元锂电池的活性物质,因此镍含量越高,电池内就能发生更多的化学反应,使更多锂离子移动,从而达到更大的电池容量。

但由于NCM正极结构的原因,镍占比的增大,会导致热稳定性和容量保持率下降,主要表现为循环充放电的容量损失和高温环境容量加速衰减。

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(不同NCM电池的放电容量、热稳定性和容量保持率的关系)

这种变化是如何发生的?这就要提到一个“阳离子混排”的概念了,它是导致电池容量衰减的重要因素。

在NCM正极材料如LiCoO2、LiNixCoyMnzO2的空间结构中,锂离子、氧和三元材料像三明治的夹层一样交错排列。

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但因为+2 价镍离子与锂离子半径非常相近(0.069毫米与0.072毫米),使得镍离子和锂离子很容易占据对方的位置,造成阳离子混排。

当镍离子挤到锂离子的位置时,因为镍离子的半径略小,会导致“三明治”的每层厚度减少,并在充电时把+2价镍离子氧化为+3价或+4价,造成局部空间塌陷,增加了锂离子的嵌入难度。

而当锂离子挤到镍离子的位置时,因为锂离子半径较大,嵌入的锂离子自己也会更难脱出。

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(正常的锂离子、镍离子位置(左)与阳离子混排(右))

因此,人们需要加入钴来抑制阳离子混排,稳定材料层状结构;锰则不参与电化学反应,可以提供安全性和稳定性,同时降低成本。

但钴成本高昂、供应来源单一(以钴价华东市场价为例,整体市场价格在8月3日已接近27.5万元/吨,且未来有望冲击40万元/吨高位),这使得“升镍降钴之路”成为了三元锂电池发展的必然选择。

动力电池的未来:百花齐放

对于三元锂电池存在的易自燃、成本高、循环寿命短的问题,已经有许多企业提出了充满创意的解决方案。

去年7月,长城汽车旗下蜂巢能源首发全球首款无钴电池,其L6薄片无钴长电芯采用了两种化学键能更大的元素掺杂到材料中替代钴,通过强化学键稳定氧八面体结构,减少锂镍混排,改善了材料的稳定性;通过单晶技术和纳米网络包覆技术,提高了无钴材料的使用寿命和材料循环性能。

今年3月,通用与LG化学一同推出新的电池产品Ultium,电池电芯使用LG化学最新研发的NCMA四元锂电池:其技术原理是通过向NCM三元锂正极材料混入少量的铝元素,使原本性质活跃的高镍三元正极材料在保持高能量密度的同时,也能维持较稳定的状态。

三星则通过引入银碳复合负极、不锈钢(SUS)集电器、辉石型硫化物电解质以及特殊材料涂层,有效解决了固态电池量产所面临的三大核心问题:锂枝晶生长、低库伦效率与界面副反应。固态电解质不会发生自燃、没有腐蚀性、不会泄漏和挥发,与液态电解质的电池相比,其安全性非常高。

不过,在三元锂电池技术发展的同时,磷酸铁锂电池也不遑多让:今年3月,比亚迪搞了一场声势浩大的“刀片电池”发布会,在会上,比亚迪创始人王传福声称,刀片电池既有磷酸铁锂电池安全性能的优点,又在续航里程上达到了与三元锂电池同等水平,成本还更低。

为了强调刀片电池的安全性,比亚迪公开了一段试验视频:在针刺实验中,三元锂电池瞬间出现剧烈温度变化,电池表面鸡蛋被炸飞;刀片电池则无明火,无烟,电池表面的鸡蛋无变化。

面对比亚迪的“挑衅”,作为三元锂电池的代表,宁德时代在5月11日的业绩说明会上回应:“电池的安全和电池的滥用测试是两回事,有些人把滥用测试的通过等同于电池的安全。”

宁德时代的官方微博更是一口气连发三条微博,从电池包外壳的安全性、三元电芯针刺安全测试,以及动力电池标准,回应了外界对三元电池安全性的质疑。

三元锂电池和磷酸铁锂电池,谁才是动力电池的未来?目前看来,这一场技术路线之争,还远未到落下帷幕的时候。

在当下,最值得期待的或许是特斯拉的“电池日”,看看“网红企业家”马斯克能否给动力电池领域带来更多惊喜。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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