鉅大LARGE | 點擊量：1006次 | 2021年05月20日
新能源汽車用鋰電正極材料將何去何從
一、主流電動汽車對鋰電正極的選擇
正極材料作為電動汽車動力鋰離子電池的核心，目前商業化應用于電動汽車的重要包括磷酸鐵鋰、錳酸鋰和包含鎳鈷錳酸鋰（(LiNixCoyMn1－x－yO2，NCM)和鎳鈷鋁酸鋰（LiNi1－x－yCoxAlyO2，NCA）兩種的三元材料。其我國內新能源汽車主流用正極材料為磷酸鐵鋰，比如比亞迪。以特斯拉為代表的新能源汽車公司主流用正極材料為三元材料。日產聆風電動汽車采用的是錳酸鋰正極材料動力鋰電池。
表1.世界主流電動汽車對動力鋰離子電池正極材料的選擇
表2.國內主流電動汽車型動力鋰離子電池正極材料的使用情況
二、幾種正極材料之優劣比較
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.磷酸鐵鋰
磷酸鐵鋰（LiFePO4）材料具有原材料豐富、循環壽命長、安全性能好等諸多優點。但是由于磷酸鐵鋰離子電池一致性和能量密度較低，制約了其在電動汽車領域的發展。目前，業界一般認為磷酸鐵鋰比較適于儲能系統，重要應用于基站和數據中心儲能、家庭儲能、風光電儲能等領域。
2.錳酸鋰
LiMn2O4是Wichham在1958年首先制備的正極材料，優點是價格低、熱穩定性高。日本AESC公司將其實現了產業化。重要用在日產聆風電動汽車上的動力鋰電池。錳酸鋰材料具有資源豐富、成本低、無污染、安全性好、倍率性能好等優點，是理想的動力鋰電池材料，在產業化的進程中要改善其較差的循環性能及電化學穩定性。
3.三元材料
三元材料LiNixCoyM1-x-yO2，M為錳（Mn）或鋁（Al）稱NCM或NCA是目前最有前途的動力鋰電正極材料之一。
3.1鎳鈷錳三元材料（NCM材料）
鎳鈷錳三元材料（NCM）隨著材料中鎳（Ni）、鈷（Co）、Mn組成比例的變化，材料的比容量、安全性等諸多性能能夠在一定程度上實現可調控。Ni可以提高材料的放電容量；Co能減少陽離子混排情況的發生，有效穩定材料的結構；Mn既能提高材料的安全性和穩定性，又能降低材料的成本。目前在電動汽車上廣泛使用的是Ni、Co、Mn比例分別為1∶1∶1或5∶2∶3的（簡稱NCM111及NCM523材料）體系。高鎳NCM622材料（Ni、Co、Mn比例為6∶2∶2）是目前三元材料研究的熱點之一。與已批量使用的NCM111材料相比，NCM622材料的比容量要高出10%以上。NCM622材料的應用有望將動力鋰電池的能量密度提升至200Wh/kg。為此，少數國內外領先的正極材料公司重點投入NCM622材料的開發。國內如北京當升材料科技股份有限公司，在已有三元材料的基礎上，順利攻克了NCM622材料安全性能、循環性能、低溫性能等多項關鍵技術。產品的放電比容量、倍率性能、高低溫充放電性能和常溫循環壽命優異，綜合性能處于國際領先水平。北汽等國內知名車企已開始量產以NCM622為正極材料的純電動汽車。
3.2鎳鈷鋁酸鋰三元材料（NCA材料）
鎳鈷鋁酸鋰三元材料（典型分子式為LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，簡稱NCA）綜合了LiNiO2和LiCoO2的優點，不僅可逆比容量高，材料成本較低，同時摻鋁（Al）后增強了材料的結構穩定性和安全性，進而提高了材料的循環穩定性。NCA材料也是目前研究最熱門的三元材料之一。
NCA材料具有優異的性能，應用領域也由最早的電動工具擴展為電動汽車，如AESC為日產（Leaf）、Panasonic為美國Tesla、PEVE為豐田（Pruisα）等車型供應的動力鋰電池，其正極材料全部或部分為NCA材料。
2013年，美國Tesla正是由于動力鋰電池正極材料使用了NCA材料，使汽車續航里程大幅提升，一舉成為世界電動汽車領域最耀眼的新星。據報道，TeslaModelS的電池模塊總容量高達85kWh，使用了約7600顆3.1Ah的18650電池。其單體電池的能量密度為252Wh/kg，電池模塊的能量密度超過150Wh/kg，遠高于當前行業80～120Wh/kg的平均水平。NCA材料的一些性能指標雖然表現優秀，但是材料的制備難度高。這類材料的開發和使用在日韓的先進公司中已經成熟并進入大規模量產階段。國內生產公司如當升科技、湖南杉杉新材料有限公司、深圳天驕科技開發有限公司等已完成相關技術的初步探索，進行了中試和小批量試產。但由于多種因素的影響，NCA材料未在國內形成批量生產及銷售，尚有一些技術問題要解決?？梢灶A見，隨著電動汽車市場的興起，NCA材料的需求會大幅新增。國內公司需借此機會，加大投入，提前進行NCA材料國產化開發工作。
表3.不同典型動力鋰離子電池正極材料的性能
三、正極材料未來發展方向及展望
電池市場的產量和產量的新增，帶動了鋰離子正極材料產業的發展，《我國節能與新能源汽車國家規劃（2012～2020）》中提出，到2020年動力鋰電池能力密度提高到300瓦時/千克以上。目前傳統的磷酸鐵鋰離子電池和錳酸鋰離子電池將無法滿足這一目標，公司必須研發生產比容量高的新型正極材料。
德國大眾汽車的技術專家認為，未來動力鋰離子電池提升能量密度的重要方法在于正負極材料的選擇，隨著能量密度的不斷提升，正極材料從三元材料（NCM111）逐步向高鎳三元材料（NCM811）過渡，最后發展為富鋰材料。多元材料體系中，隨著鎳含量提高，能量密度不斷提升。目前技術相對成熟的是常規的NCM111，材料的比容量達到158mAh/g。但是該材料的成本相對較高，而且由于3M的專利壟斷進一步新增了專利使用成本，因此動力鋰電公司為了降低成本和規避專利問題、同時為了尋求更高能量密度的材料，逐漸轉向了高鎳三元材料NCM523，甚至是NCM622和NCA。動力型高鎳多元材料NCM622和NCA將成為電動汽車用鋰離子電池的首選正極材料。
為了滿足2020年動力鋰電池能力密度提高到300瓦時/千克以上的目標，高鎳三元材料之后，正極材料最后將朝著富鋰材料方向進行發展。富鋰材料具有大的比容量(250mAh/g)和高的放電電壓(3.8V)，理論能量密度高達900Wh/kg，循環壽命長、成本低、污染小等優點是未來動力鋰電池的理想正極材料。美、日等國提出要在2020年下一代鋰離子電池的能量密度達到300Wh/kg，2030年能量密度則達到500Wh/kg。工信部在《我國制造2025》明確提出要建立和健全富鋰層氧化物正極材料/硅基合金體系鋰離子電池下一代鋰離子動力鋰電池和新體系動力鋰電池的產業鏈。
四、全球正極材料產銷分析
車用鋰離子電池目前重要使用的正極材料為磷酸鐵鋰（我國新能源汽車主流用正極材料）和三元材料（以特斯拉為代表的新能源汽車公司主流用正極材料）。因此，從2014年開始三元材料和磷酸鐵鋰正極材料的產量開始暴增，其中磷酸鐵鋰從2013年的0.8萬噸，上升到2016年的7.48萬噸，年復合上升率為110.67%。三元材料的產量從2013年的3.9萬噸，上升到2016年的12.90萬噸，年復合上升率49%。
圖1.全球重要正極材料歷年產量情況
圖2.全球正極材料歷年產量及需求量數據來源：EVTank、我國電池網、真鋰研究、澄泓研究
隨著新能源汽車行業以及儲能行業的發展，預計未來正極材料行業在細分的磷酸鐵鋰以及三元材料方面將成為正極材料產業上升的重要驅動力。
五、國內正極材料產銷分析
我國在正極材料發展前進的道路上，技術路線之爭一直不斷。目前，主流的正極材料包括鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰以及三元材料。在2014年之前，我國鋰離子電池發展的重心重要為消費類鋰離子電池產品，因此隨著2014年新能源汽車行業的爆發式上升，鋰離子電池的發展重心已由3C類變成車用動力鋰電池，因此正極材料的行業發展，也更加偏向于磷酸鐵鋰和三元材料。
圖3.國內重要正極材料歷年產量情況
從我國歷年來各類正極材料的產量情況來看，磷酸鐵鋰產量從2011年的0.23萬噸，上升到2016年的7.4萬噸，5年間整整新增了30多倍，可謂是發展迅速，當然這也和國內新能源汽車動力鋰電池近幾年重要使用磷酸鐵鋰正極材料有關。三元材料方面，其產量從2011年的0.63萬噸，上升到2016年的6.5萬噸，年復合上升率59.48%。
