分析高镍电池的研发进程
在动力电池行业的赛道上，中国“选手”NCM523和NCM333在稳步奔跑，NCM622正奋力追赶，更具潜力的NCM811刚从起跑线起步，但势头很猛。NCM333、NCM523、NCM622、NCM811是三元动力电池的几种细分类型。三元动力电池指的是正极材料为按一定比例调配的镍盐、钴盐、铝/锰盐的锂电池，即镍钴铝(NCA)或镍钴锰(NCM)。由于镍钴铝电池的研制难度较大，其核心技术仍掌握在日本企业手中。镍钴铝材料的主要供应商业也以住友金属、日本化学产业株式会社和户田化学等日企为主。目前国内研制镍钴铝电池的企业相对较少。更多企业使用的是镍钴锰材料。镍的作用在于提升材料的体积能量密度，钴用于提高材料的循环和倍率性能，锰主要用于提高安全性和结构稳定性。按照镍钴锰的混合比例，镍钴锰材料按照镍含量由低到高，又可分为333、523、622、811等。目前，国内使用NCM523材料的电池比能量可达到160-200Wh/Kg，NCM622可达约230Wh/Kg，而NCM811/NCA则可以达到280Wh/Kg。在11月初召开的第三届2018动力电池应用国际峰会上，中国汽车技术研究中心动力电池领域首席专家王芳提及，从产业化角度考虑，中国的动力电池行业正值NCM523和NCM333时代，NCM622处于中试阶段，NCM811处于研发阶段，但实际的发展状况比想象的更快。中国汽车动力电池产业创新联盟的数据显示，截至今年9月，中国动力电池累计销量为45.6GWh，三元电池占到一半以上。其中，NCM523材料电池仍是主流，但NCM811材料电池的成长速度已不可小觑。"811"元年按照工信部《汽车产业中长期发展规划》的要求，到2020年，新能源汽动力电池单体比能量达到300Wh/kg以上，力争实现350Wh/kg，系统比能量力争达到260Wh/kg，成本降至1元/Wh以下。到2025年，新能源汽车占汽车产销20%以上，动力电池系统比能量达到350Wh/kg。考虑到动力电池能量密度提升需求和全球钴价上涨的影响，少钴高镍的NCM811材料电池成为企业研发的重点。5月，深圳市比克动力电池有限公司(下称比克电池)开始大规模量产使用高镍811材料的18650-3.0Ah动力电池电芯。四个月后，比克电池宣布，其811产品在动力电池出货量中的占比已超过五成，目前已用于多款车型。在10月举行的中国国际节能与新能源汽车展览会上，比克电池又展示了一款已经实现量产的高镍811材料电芯。据比克电池介绍，该款21700-4.8Ah的圆柱电芯已达到全球最高容量水平。比克电池成立于2001年，主要从事锂离子电芯研发、生产、销售，是国内圆柱电池的代表企业之一。真理研究的数据显示，今年前三季度，比克电池装机量占全国市场份额的2.8%，排名第六。除比克电池外，国内还有众多电池企业相继宣布它们的高镍电池量产计划。目前，天津力神电池股份有限公司(下称天津力神)已实现量产高镍811材料电池，相关车型已进入推荐目录。且该公司研发的NCA高比能量动力电池，电池比能量已超过300Wh/kg。据PushEvs报道，动力电池巨头宁德时代(300750.SZ)计划于2019年推出NCM811动力电池。宁德时代总裁黄世霖曾表态，公司计划到2020年实现电池能量密度达到300Wh/Kg。比亚迪(002594.SZ)和国轩高科(002074.SZ)也提出了类似的计划。上述三家企业今年前三季度动力电池装机量分列全国第一、二、四位。宁德时代成立于2011年，由全球锂电巨头ATL的动力电池业务独立而成。2017年起，宁德时代赶超日本松下，成为全球动力电池出货量最大的企业，并与2018年成功上市。到今年年底，产能预计超过31.5Gwh。比亚迪的产能为28GWh。国轩高科成立于2006年，2014年登陆深交所，产能约为16GWh。鹏辉能源(300438.SZ)、亿纬锂能(300014.SZ)等公司也表示，已经完成高镍811电池从产品技术突破，到小批量生产，再到客户送样认证测试的过程。正极材料企业当升科技(300073.SZ)在今年初接受投资者调研时称，已经实现高镍811正极材料批量生产，今年全年产销量将保持大幅增长。目前NCM811的报价在24万元/吨左右，高于NCM523的报价，但前者因钴用量的减少，成本较后者低约1.4万/吨，因此，NCM81吨毛利将增加3.9-4.4万元。根据真锂研究预计，受需求推动，2018年NCM811电池的生产总量将达到去年的10-15倍。今年一季度，国内三元材料产量约3.17万吨，同比增长64.26%。其中常规NCM型号(包括NCM523和NCM333等)占比78%;NCM622型号占比14%;NCM811/NCA占比8%，增长明显。两年前，NCM811/NCA的市场份额还不到1%。因此，2018年被业内称为高镍811量产元年。另据瑞士银行(UBS)近期发布的报告显示，2020年之后NCM811的市场份额将迅速扩大，到2025年三元材料的NCM622、NCM811和NCA将形成三足鼎立的格局。艰难迈进由于镍钴锰使用比例的调整，NCM811等高镍材料在提高镍比例、大幅提升电池能量密度的同时，也会造成电池热稳定性的持续下降，进而影响到电池的安全性。镍在反应过程中还会影响电池可逆比容量和循环性能，带来电池循环应性能减弱、充电效率降低的问题，给大规模应用形成阻碍。业内共识，尽管国内NCM523和NCM622电池制备技术已较为成熟，但生产NCM811电池仍非易事。由于镍自身的化学特性，容易造成锂的析出，从而影响混料、涂布等后续加工过程，这是生产NCM811需要解决的一大难题。单体电池生产主要包括混料、涂布、烘烤、辊压、分条等环节。混料即将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。涂布环节则是正负极浆料涂覆在集流体(铜箔，铝箔)表面，以制作极板。比克电池圆柱电池总工李艳斌在接受界面记者采访时表示，比克在生产NCM811电池的过程中，需要对正极材料、浆料、电解液的选择和配比，以及工艺和制造环境等多种因素进行改进。她举例称，“考虑到高镍材料的氧化性强，对生产所用的水也进行了调整。”真锂研究首席分析师墨柯指出，目前正极材料上纯粹使用NCM811材料的电池仍然较少，总体上属于小规模试验阶段，但是将NCM811材料与NCM333或者锰酸锂等材料进行掺杂，并以此作为正极材料的情况已经较为常见。“严格地说，使用811正极材料和NCM811电池有一定区别。”他说。墨柯表示，使用混合材料可在大幅提高安全性的同时，提升能量密度。企业通过逐步提高NCM811材料的比重来验证技术可靠性，这也算作发展高镍电池技术的方法之一。“国内现阶段只有NCM811圆柱18650电池在技术上已具有大规模量产的可能，其他封装形式的高镍电池还有待进一步研究。”墨柯向界面新闻记者称，国内18650圆柱电池的生产工艺更加成熟稳定，为NCM811材料的应用奠定了良好的基础。18650是一种标准锂离子电池型号，即直径为18mm，长度为65mm的圆柱电池。圆柱形、软包和方形是动力电池不同封装形式。目前，圆柱形动力电池生产工艺最为成熟，电池组装成本较低，良品率和一致性较高，但单体比能量略逊于另外两种电池。软包动力电池安全性能高，循环性能好，但一致性较差，成本较高。方形电池在安全性优于圆柱形电池，相对能量密度高，但生产工艺难以统一。规模的扩大和技术的进步是降低电池成本，提高竞争力的主要途径。近年来，国内电池企业持续增加研发投入，2018年上半年，宁德时代研发投入为7.18亿元，约占营业收入93.6亿元的7.6%，研发人员占到员工数量的五分之一。同期，国轩高科的研发投入约为1.32亿元，占营收的5.1%。此外，宣布每年将投入销售额的5%作为研发经费的还有力神电池和比克电池，后者在过去三年累积研发投入超过3亿元。正视差距与中国电池企业相比，日韩企业在高镍电池上已先行一步。其中，日本松下可谓一路领先。从2008年开始向特斯拉配套供应圆柱电池开始，松下不断改进正极材料，并先后推出了NCM18650电池和比能量高达340Wh/kg的NCA21700电池。韩国企业也较早布局NCM811电池。其中，LG化学计划在将推出第三代软包动力电池，单体电芯能量密度目标为270-280wh/kg，比目前量产的能量密度高出50%。已方形电池为主要产品的三星SDI则在研发其第4代电池，单体能量密度可达270-280Wh/kg，预计2021-2022年间实现量产，第5代电池将于2023年以后量产，电池单体能量密度将达到300Wh/kg。高工产业研究院的数据显示，上述三家韩国电池企业2017年的研发投入高达35亿元、28亿元和10亿元。然而，韩国企业的高镍电池研发进程并不如想象的顺利。此前，LG化学、SK创新相继宣布推迟其NCM811电池量产计划。多位电池业内人士猜测，推迟量产的主要原因在于NCM811软包及方形电池的安全性还存在缺陷。王芳表示，品质控制是企业在竞争中胜出的关键，产品性能、安全、寿命和成本是否能够与对手去竞争，才是企业需要重点关注的。“拥有高一致性、高安全性的电池才更有市场竞争力。”墨柯在采访中提到，近年来，中国电池行业在技术和规模上发展迅速，电池技术与日韩企业的差距已不大，但中国电池企业在一致性上仍落后一大截，中国领先的电池企业，距离日韩企业有近两到三年的差距。一致性，是指电池包内全部电芯全生命周期内全部特性参数的一致性，单个电芯容量衰减、内阻增长以及老化速度的不一致，将直接影响电池包的寿命，甚至是电动汽车的安全。“日韩企业生产过程中的不良产品已达到万里挑一，中国企业还做不到。”墨柯说。安全命门中科院院士欧阳明高曾在公开演讲中多次强调，“对于高比能量动力电池来说，安全性是第一位。”多位电池业内人士在接受界面新闻记者采访时表示，近来频繁发生的电动汽车自燃，与目前市场上过度强调提高电池能量密度而忽视安全问题密切相关。随着6月12日新能源汽车补贴新政的正式实施，对动力电池比能量的要求明显提高，由去年的80Wh/kg提升至120Wh/kg。未来，该指标还将进一步提升。中国汽车技术研究中心的数据显示，2017年，中国动力电池的平均比能量为115Wh/kg左右，这一数字在2018年已快速增长至139Wh/kg。过半车型都能拿到1.1倍补贴。按照2018年纯电动乘用车国家补贴表述和技术要求，电池比能量达到140Wh/kg的可获得1.1倍的补贴，高于160Wh/kg的按1.2倍补贴。猛狮科技研究院院长邓中一认为，单纯追求高能量密度是件高风险的事情，必然会牺牲动力电池的安全性和循环寿命。“只有在保证安全，以及成本和寿命都可接受的情况下，高能量密度才有意义。”他指出。“目前车企对高镍811材料电池的需求非常旺盛，但出于安全考虑，暂时还不敢大量使用该种电池。”一位不愿具名的电池行业分析师告诉界面新闻记者。他指出，企业为了达到政策对于能量密度的要求、拿到补贴，在快速压低售价、有限的研发成本和时间投入的压力下，往往会选择在安全性上有所退让。但高镍811材料并不是导致安全性下降的主导因素。李艳斌向界面新闻记者表示，电池的安全性并不是某一种材料决定的，而是由系统决定，这其中既包括隔膜、电解液、工艺和生产管控，也包括电池管理系统和PACK。“提高电池能量密度，不只需要进行材料改进，不能把安全压力过于集中在电池上，应对全过程进行改进。”她说。
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