811時(shí)代被迫到來 電池的安全性提升成為電池技術(shù)發(fā)展的第一要務(wù)

為什么是811？這是作為電動汽車動力來源的三元鋰電池的三元材料中，鎳、鈷、錳三種金屬材料的比例。隨著三元鋰電池的產(chǎn)量日漸擴(kuò)張，三種較稀有的金屬供應(yīng)壓力也越來越大，加之政策對電池能量密度要求的日漸提升，“811時(shí)代”悄然而至。

三元材料的各自作用，呼喚錳的回歸

在論述開始之前，先跟大家介紹一下三元鋰電池中三元材料的作用——電池正極，準(zhǔn)確地說是作為電池正極的前驅(qū)體（可簡單理解為原料）在整個(gè)電池供應(yīng)鏈中存在。在電池內(nèi)部充滿鋰離子的儲能介質(zhì)鋰鹽與正極三元材料不斷產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)充電或放電。在發(fā)明三元材料之前，鋰電池正極的材料通常為鈷酸鋰（LiCoO2），而后因鋰電池單體容量不斷加大，為安全起見，正極材料逐漸演化為鎳鈷錳酸鋰【Li（NiCoMn）O2】。三種活潑性不同的金屬組成的電池正極共同作用自然會引發(fā)更多“故事”。而三元鋰電池的正極材料從鎳、鈷、錳三種金屬比例為1：1：1演化為4：2：4，再到5：3：2、6：2：2，以至于目前即將流行的8：1：1。鎳的含量逐漸增加的現(xiàn)象，在電池能量密度提升的同時(shí)，自然會讓電池的安全性與循環(huán)次數(shù)變?yōu)闃I(yè)界熱議的話題。

花開兩朵，各表一枝。三元材料的比例按其氧化還原反應(yīng)的強(qiáng)烈程度可分為（鎳、錳）等量型與不等量型。等量型的典型代表為鎳、鈷、錳三種金屬比例為1：1：1和4：2：4的兩種形式。在電池充放電過程中，＋4價(jià)的錳離子不變價(jià)，在材料中起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，＋2價(jià)的鎳離子變?yōu)椋?價(jià)，失去兩個(gè)電子，在穩(wěn)定之余使電池的能量密度有了一定的提升，但這種方式能量密度的提升較為有限，以被業(yè)界摒棄。

不等量型，就是目前深受業(yè)界追捧的，三種材料比例為5：3：2、6；2：2甚至8：1：1的三元材料比例。鎳含量較高的三元材料在電壓平臺低于4．4V時(shí)，一般認(rèn)為主要是鎳元素按＋2或＋3價(jià)參與氧化還原反應(yīng)后，化合價(jià)升高到＋4價(jià)。當(dāng)電壓高于4．4V時(shí)，＋3價(jià)的鈷離子參與反應(yīng)變?yōu)椋?價(jià)，＋4價(jià)的錳離子不參加反應(yīng)，起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)作用。

圖為動力電池三元材料從等量型向不等量型發(fā)展的變化（中國質(zhì)量新聞網(wǎng)汽車頻道制圖）

通過分析不同三元材料比例下電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)，目前深受業(yè)界追捧的三元材料比例的弊端呼之欲出——錳作為三元材料中的“鎮(zhèn)定劑”，起著穩(wěn)定各離子“軍心”的作用。錳在三元材料中的比例降低，意味著安全性降低。而鎳的比例增高，則帶來了相對激烈的電化學(xué)反應(yīng)，使電池能量密度提升的同時(shí)增加了一定不穩(wěn)定因素，從而增加了電池自燃的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，備受消費(fèi)者關(guān)注的電池循環(huán)次數(shù)問題，也會因三元材料中鎳的含量提升而大大減少，也就意味著電動汽車的整個(gè)生命周期中，需要面臨更多次的電池更換。在電池能量密度大幅提升的背后，則反應(yīng)出三元鋰電池發(fā)展過程中深深的無奈。

政策與供應(yīng)鏈強(qiáng)力引領(lǐng)，“811時(shí)代”被迫到來

2018年年初，四部委發(fā)布《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》（以下簡稱《通知》）?！锻ㄖ芬?，2018年補(bǔ)貼系數(shù)與能量密度掛鉤。乘用車想要拿到最高倍補(bǔ)貼系統(tǒng)能量密度需＞140Wh／kg；非快充類純電動客車要獲最高倍補(bǔ)貼同樣需要＞140Wh／kg。而2019年，調(diào)整后的《通知》顯示，可享受1倍補(bǔ)貼車型裝備的電池能量密度限制需不低于160Wh／kg。而這一限值在2020年將達(dá)到260Wh／kg！在提升電池能量密度方面，各電池廠商在對于儲能介質(zhì)與其他材料無計(jì)可施的情況下，只能逐步提高正極材料中鎳的含量。政策的強(qiáng)力指導(dǎo)作用，成為“811時(shí)代”到來的最重要因素。

另一方面，上游供應(yīng)鏈的倒逼作用，也是“811時(shí)代”被迫到來的重要因素。近期國際期貨市場上，鎳的成交價(jià)格在10萬元人民幣／噸上下徘徊，鈷的成交價(jià)格則飆升至25．5－28萬元人民幣／噸，在2017年5月甚至達(dá)到人民幣50．8萬元人民幣／噸。錳雖未作為期貨交易品種上市，但據(jù)多方了解，其現(xiàn)貨出廠價(jià)在1．3萬元人民幣／噸。各材料間巨大的價(jià)格差異，與其在電池內(nèi)部的作用差異，讓動力電池生產(chǎn)企業(yè)同樣在供應(yīng)鏈的裹挾下，被迫走進(jìn)“811時(shí)代”。

編后記

國內(nèi)首款“NCM811”（指三元鋰電池鎳、鈷、錳三種金屬材料的比例為8：1：1）動力電池已將蔚來ES8的標(biāo)稱續(xù)航里程擴(kuò)展至425km，而國內(nèi)各主流動力電池廠商紛紛宣稱將投產(chǎn)“NCM811”動力電池，這些都標(biāo)志著作為世界唯一成熟電動汽車市場的我國汽車市場，正式邁入動力電池“811時(shí)代”。在動力電池廣泛應(yīng)用的今天，電池技術(shù)的發(fā)展是否應(yīng)僅重視能量密度的提升，弱化了安全性與電池循環(huán)次數(shù)？這將是“811時(shí)代”關(guān)注動力電池發(fā)展各方在這一階段討論的焦點(diǎn)話題。近期頻發(fā)的電動汽車自燃事件，也給各生產(chǎn)企業(yè)敲響警鐘。在此，在“811時(shí)代”來臨時(shí)，電池的安全性提升才應(yīng)該是電池技術(shù)發(fā)展的第一要務(wù)，否則再高的電池性能，都會成為“空中樓閣”。