三元鋰電池

三元鋰電池：到底是哪三元？

走近新能源 2020-03-20 07:35

近日，呆灣的“專家”在某節(jié)目上大放闕詞，嘲諷“寧德時代不會生產(chǎn)三元鋰電池電池，特斯拉為了中國市場被迫使用落后的磷酸鋰電池技術”。

繼“茶葉蛋"和“涪陵榨菜”之后，臺灣“專家”的這番評論再次引起熱議。吃瓜群眾表示，“專家”很可能是為了碰瓷騙電池，紛紛提醒寧德時代不要上當。圖片：觀察者網(wǎng)

被批為落后技術的磷酸鐵鋰表示不服，龍頭大哥寧德時代更加不服，立馬“請”出了朋友們來評理。

各配套了寧德時代電池的車企官博也紛紛仗義執(zhí)言，并順手打起了自家的廣告。

寧德時代在2019年無論磷酸鐵鋰還是三元鋰電池，均在國內(nèi)所有排名第一。事實上，論出貨量寧德時代還是全球第一。

雖然“專家”對寧德時代的認知很滑稽，但是他說到的特斯拉的優(yōu)勢在于其裝載的三元鋰電池，也有一定道理。卓越的三元鋰電池在幫助特斯拉打造全球第一電動車品牌中扮演了重要角色。今天，就來聊一聊“專家”口中的最強電池——三元鋰電池。

何為“三元"

三元鋰電池（Ternary Lithium Battery），是指以鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰為正極材料，以石墨為負極材料，以六氟磷酸鋰為主的鋰鹽作為電解質(zhì)的鋰電池。

三元鋰電池的構成。

鋰電池的常用命名方式主要有兩種，一是以電池中正極元素來命名，二是以電池最核心的反應機理和特征來命名（如柔性電池、固態(tài)電池）。三元鋰電池，采用的就是以其正極材料來命名，因為其正極材料包含了鎳、鈷、錳/鋁三種金屬元素，因此得名“三元”。需注意的是，鈦酸鋰電池是個例外，雖然其正極也有三種金屬元素，但其負極是鈦酸鋰而不是一般的石墨，所以不屬于一般的三元鋰電池。

取一個瑯瑯上口、易于傳播的好名字非常重要。如果BMW不叫“寶馬”，而叫“巴伐利亞發(fā)動機制造廠股份有限公司"，估計在華銷量要減一半。

其正極材料中，鎳主要作用是提升電池的體積能量密度，是提升續(xù)航里程的主要突破口。鈷可以抑制陽離子的混排，從而提高起到提升穩(wěn)定性和延長電池的壽命的作用，此外，其也決定了電池的充放電速度和效率(倍率性能)。錳或鋁的作用在于降低材料成本，并且可以提高電池的安全性和穩(wěn)定性。

圓柱型三元鋰電池。

兩種路線：NCM和NCA

目前，動力三元主要分為鎳鈷錳（NCM）和鎳鈷鋁（NCA）兩條技術路線。

NCM和NCA對比。圖片：電池中國

兩條路線上，中日韓企業(yè)有所區(qū)別。中國企業(yè)以NCM為主（如CATL）、日本企業(yè)主要以NCA為主（如松下），韓國企業(yè)為NCM（南京LG）+NCA（三星SDI、韓國LG）

國內(nèi)新能源汽車主要配套NCM電池，以方形和軟包為主，從早期的鎳鈷錳比例5:2:3逐漸發(fā)展為高鎳體系的8:1:1，成本更低、能量密度更高。以寧德時代的拳頭產(chǎn)品NCM811為例，電芯能量密度可達240Wh/kg。

2019年，在動力電池領域，寧德時代的NCM811出貨就達2GWh，目前已經(jīng)為寶馬X1、蔚來ES6、小鵬P7、合眾U、廣汽AionS等眾多新車型提供配套裝機。圖片：寧德時代官網(wǎng)

相比之下，NCA的性能更加優(yōu)越。松下生產(chǎn)的圓柱型NCA18650、21700主要供應特斯拉，系統(tǒng)能量密度最高甚至達到300Wh/kg。

但是，NCA的安全性問題值得考量。NCA在充放電過程存在嚴重的產(chǎn)氣，這會導致電池鼓脹變形，循環(huán)及擱置壽命下降，電池存在安全隱患，所以通常采用耐壓的圓柱電池殼制作。

三星SDI近日宣布將擴建其匈牙利工廠，采用堆疊工藝生產(chǎn)方形NCA電池，取代之前的卷繞方式，以匹配BMW的iNext訂單。圖片：汽車電子設計

除此以外，造成國內(nèi)動力NCA發(fā)展緩慢的，一方面是NCA電池的制造工藝要求更高，如生產(chǎn)環(huán)境需控制濕度10%以下，另一方面NCA材料的主要供應商為日韓企業(yè)，如住友金屬，國內(nèi)企業(yè)采購的價格較貴。

目前高鎳體系的NCM811性能上和NCA差距不大，但成本則低不少，綜合來看性價比更高。因此，在國內(nèi)新能源車企想方設法降低成本的大趨勢下，價格永遠是不可忽視的重要因素。

高端如特斯拉，依然在不斷尋求降本方案。根據(jù)續(xù)航里程變化的推測，目前國產(chǎn)化后的后驅版Model 3的動力電池已更換為南京LG的NCM811，而非原本的松下NCA。圖片：特斯拉官網(wǎng)

三元的未來

相比于磷酸鐵鋰電池，無論是NCM還是NCA的三元鋰電池都有許多特出的優(yōu)勢。

電壓平臺更高，比容量更大。在同等的尺寸條件下，鐵鋰電池能裝10AH的，三元鋰電池通常能裝到15AH以上。這意味著，如果使用能量密度更低的鐵鋰電池，會占用更多的空間，且嚴重車身輕量化，長續(xù)航的乘用車幾乎不可接受。

耐低溫性能更好。低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），磷酸鋰電池衰減得非?？欤?jīng)過不到100次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的20%，對于在北方使用受限。

三元在低溫性能、過充過放性能、能量密度、體積上優(yōu)于磷酸鐵鋰。圖片：汽車動力總成

當然，三元鋰電池也存在一定短板。

如熱穩(wěn)定性較差，300℃左右就開始分解，三元鋰材料的化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生熱失控。

因此在2016年初，工信部曾禁止新能源客車配套三元電池。

目前發(fā)生的新能源車自燃三元的比例較大。2020年的電動汽車百人會，安全問題是其中一個重要議題。圖片：中國經(jīng)濟網(wǎng)

為應對三元鋰電池的安全性問題，更需要廠商在廠商在過充保護（OVP）、過放保護（UVP）、過溫保護（OTP）、過流保護（OCP）上多下功夫。

成本，成本，成本，是另一個大問題。三元鋰電池正極因為含有貴金屬，價格相對磷酸鐵鋰要高不少。而新能源汽車發(fā)展帶來的需求激增，鈷的價格已經(jīng)飆升至36萬元/噸（3月5日價）。因此，三元鋰電池的一個重要革新方向，就是不斷升鎳降鈷，鎳鈷錳比例從532到622再到811，甚至再到將來的“無鈷”。