【发展趋势】你并不完全了解！高镍三元正极材料和nca的优劣势分析及发展趋势一览

    你并不完全了解！高镍三元正极材料和nca的优劣势分析及发展趋势一览

在过去的两年时间里，一场围绕着“能量密度与续航里程”的争夺战在中国乃至于全球新能源汽车市场上演。众所周知，正极材料、负极材料、电解液和隔膜是动力电池的四大主要材料，其中正极材料占到总成本的40%，还直接决定着电芯的能量密度。而根据正极材料技术路线，动力电池可主要分为磷酸铁锂、三元锂(ncacm)和锰酸锂电池三类。

根据正极材料的构成，三元锂电池分为nca和ncm两类。ncm是指正极材料由镍钴锰三种材料按一定比例组合而成，而nca的正极材料是由镍钴铝构成，每个字母对应的都是相关元素的化学首字母。可以看到，两种三元材料的前两者是一样的，都是镍和钴，只有最后一个不同，前者为锰，后者为铝。那这两者未来的发展趋势又将如何呢？

高镍三元正极材料产业化进程中的难点

一个基础事实是，随着镍元素含量的升高，三元正极材料的比容量逐渐升高，电芯的能量密度也会随之提高。高镍三元正极材料凭借比容量高、成本较低和安全性优良等优势，成为研究的热点，被认为是极具应用前景的锂离子动力电池正极材料，其中量产型号主要为ncm523和ncm622，ncm811国内有量产还不多。

业内人士指出，高镍三元材料电池的安全性受正极材料制备、制造环境、生产设备、电芯制造工艺等多重因素影响。高镍三元材料产业化进程中遇到很多难点问题。总结一下，有七大难点：

1.合成技术仍需改进优化，制备工艺难度较大

一方面目前合成高镍三元材料的方法主要是高温固相烧结法，稳定性、安全性能差！储存、加工条件苛刻。另一方面，“高镍三元电池的产业化并不仅仅取决于正极材料的突破，其它材料的合理搭配、电池制造工艺和包覆工艺升级、电池的安全性和一致性问题解决等都有很大的影响。高镍三元材料电池的制备工艺难度较大，这对动力电池企业的技术创新和产线改造提出了很高的要求。

2.关键装备国产化率低

高镍三元材料在前驱体烧结和材料生产环境方面的要求都较为苛刻，产品在存储使用过程中容易吸潮成果冻状，不易调浆和极片涂布。因此正极材料企业对窑炉设备等生产设备的各项性能要求都比较高，但目前国内的生产设备还无法完全满足高镍三元材料的制备要求。高镍材料必须在纯氧气氛中高温合成，窑炉材质必须耐氧气腐蚀。而且必须用氢氧化锂做锂源进行高温合成，氢氧化锂容易挥发且碱性很强，窑炉材质必须耐碱腐蚀。目前高镍三元材料生产主要采用密封辊道窑，国内能生产的企业比较少。

3.安全性难点

从原理上分析，高镍三元材料存在的技术问题就是由于ni3和co3+4与o有能带重叠，所以在高脱锂状态，晶格o会从晶格中脱出，结构被破坏造成循环性能变差，造成安全性的隐患。

高镍三元材料特别是在高温循环和长循环的寿命过程当中，他的颗粒表面会出现一个相转变，从原来的层状结构，到尖晶石结构，再到非活性岩石相，引起容量，循环性能衰减。另外相转变也伴随着材料着材料中释放一定的氧气，这样对安全性也有一的隐患。

高镍材料第二个方面，加入时高镍材料因为他的容量比较高，我们都知道他在一个深度的脱离的时候，其实颗粒收缩体积的变化是比常规的三元要大很多的。假如说高镍三元材料在循环过程当中由于晶体的收缩膨胀会导致出现一些裂纹，这些裂纹一方面会导致电子的短路，另外一方面裂纹的出现，这些新鲜的表面也会跟电解液体产生更多的负反应，影响整个电池的循环性能及安全等问题。

该图是ncm811和ncm111在70℃-350℃之间自加热速率的曲线图。图中显示在105℃左右，ncm811开始发热，而ncm111还没有，一直到200℃时才开始出现了发热。ncm811在从200℃开始，发热速率为1℃/min，而ncm111还是0.05℃/min，这也意味着ncm811/石墨体系的电池较难通过强制安全认证。

4.生产与应用环境湿度控制要求苛刻

高镍三元电池的制造对水分比较敏感，目前还没有完全成熟可靠的解决方法。

5.成本难点

一方面，钴受资源限制，成本较高，高镍化降低了钴的使用量，会一定程度上降低成本，但是高镍材料生产环节湿度要求控制苛刻，高镍材料生产成本高。而且生产线投资比低镍材料要高得多，这也提高了投资成本。配套的电解液，隔膜成本也会增加，综合以上，整个电池成本并不一定会下降很多。

6.新技术新材料对高镍三元材料的冲击

目前动力电池行业比较火的词汇，不仅仅是“高镍”，还有：“固态电池”，“富锂锰基固溶体材料”，“锂硫电池”等等，新技术新材料新观念的出现将对高镍三元材料的应用产生一定的冲击。

7.回收难点

对于大容量三元材料电池处于安全考虑，还没有进行规模化拆解回收实践，相关标准目前仍缺失。这方面还需要政府支撑与扶持，产业界的积极响应。

nca电池未能大量生产的难点

nca中镍钴铝常见的配比为8:1.5:0.5，铝的含量非常少，因此可以理解它接近二元材料，以al（过渡金属）代替锰，是将镍钴锰酸锂通过离子掺杂和表面包覆进行改性，离子掺杂可以增强材料的稳定性，提高材料的循环性能。但是在制作过程中，由于al为两性金属，不易沉淀，因此nca材料制作工艺上存在门槛。据了解，nca材料对环境湿度的敏感度高于ncm811，因此对电池生产过程的要求更为严格。国内企业的研发和生产能力面临着巨大的考验。

由于nca材料的技术壁垒高，目前产能主要集中在日韩，我国量产较少。主要供应商有住友金属(sumitomo)、日本化学产业株式会社和户田化学(toda)，韩国的ecopro和gsem也有少量产品销售。

nca电池在中国还未能大量生产，主要的难点在于：

一、高镍材料荷电状态下的热稳定性较差，导致电池的安全性下降，使得电池生产企业和终端产品用户对nca电池的安全性心存顾虑，需要从电芯设计、电源系统设计、电源使用等环节进行系统可靠的安全设计。

二、充放电过程存在严重的产气，这会导致电池鼓胀变形，循环及搁置寿命下降，电池存在安全隐患，所以通常采用耐压的圆柱电池壳制作nca电池，降低了产气量以控制电池鼓胀变形问题。

三、nca要求在电池生产全过程均要控制湿度在10%以下，而其他材料目前只需注液工序对湿度进行严格控制。这对国内企业形成了很大的挑战。

nca和ncm谁将胜出？

目前还没有公开的数据，可以详细比较nca和ncm811的能量密度、安全性以及性价比，很难说孰优孰劣。不过，有专家指出，nca和ncm811性能上比较接近，但在价格上ncm811略微便宜。而且，nca体系电池也并非尽善尽美，如果要进一步提升能量密度，需要在21700基础上不断地做大体积，而这会对电池安全管理提出更大的挑战。

ncm与nca都是高镍的三元锂电池，最大的优势就是比能量高，能够为车辆提高更加充足的电量。假如从能量需求看，nca电池似乎还是更有优势，不过综合考虑制造工艺、成本、还有目前的技术条件，中国的电池企业当下主要还是集中在生产ncm。但几乎所有大型的电池企业对于nca都在积极研发，可以预期，中国未来一定能够突破日韩的技术壁垒，大规模量产nca电池。而ncm与nca电池会同时成为三元锂电池的主要构架。

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