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NCM811电池
2020-09-10 14:07来源:我爱汽车网阅读量:

最近除了降价的特斯拉,还有一辆车也在网络上讨论的沸沸扬扬,那就是前两天上市的广汽新能源 Aion S 。这辆车最值得讨论的就是:秦Pro EV 电池容量 56 千瓦时,综合工况续航 420 公里,Aion S 58.8 千瓦时的电池容量却能多出 90公里的续航?

当然这个问题涉及到很多方面的原因,比如风阻系数、车身重量、电池、电驱系统等,今天我们就单纯的聊聊 Aion S 这个电池——宁德时代 NCM811 电池。

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■ 什么是“NCM811”?

首先要说明的是,NCM811 电池是我们熟悉的三元锂电池的一种,我们知道三元锂电池的正极材料是以镍盐、钴盐、锰盐为原料,里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整,所以“811”表示的是镍钴锰的占比,也就是 8 成镍,1 成钴,1 成锰。而"NCM”是这三种元素的简称。这种材料可以写成化学式 LiNixCoyMnzO2 ,其中 x+y+z=1。

而类似的还有 NCM523、NCM622 等电池,而目前很多厂家使用的都是 NCM532 电池

■ 为什么要用 NCM811 电池?

这个问题很好解释,以目前的情况来看,如果哪个新能源相关的东西被大批厂家追捧,那么它肯定具有“便宜”、“能提升续航”这两个优点中的一个,或者是都有。NCM811 电池就属于两者都有的典型,镍含量高能提升续航,钴含量低能降低售价。

■ 先了解电池充放电的原理吧

本质上 NCM811 是提升了镍的含量并降低了钴的含量,为什么这样就能提升续航和降低价格了呢?我们要先从锂电池的充放电原理说起。

首先。三元锂电池的正极材料一般为镍钴锰酸锂,负极材料一般为碳素材料,需要注意的是电池中不含“锂单质”,含的是“锂离子”(有单质锂存在是因为发生析锂现象,会导致电池失控,我们以后再说)。

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时,嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

在这个过程中,镍钴锰 3 种元素的的主要价态分别是 +2 价、+3 价和 +4 价,而镍和钴作为活性物质,在充放电时会发生电荷转移,锰不参与化学反应,能提供安全性和稳定性。

具体变化是,充电时镍从 +2价变成 +4价,钴是从 +3价变为 +4价,锰和锂不变化,下面举一个钴的例子,这个电池的正极材料是 LiCoO2。

锂离子从 LiCoO2 中脱出并释放一个电子,CO 得到这个电子,从三价被氧化成四价。

其实 LiCoO2 一直是锂电池的主导正极材料,但钴毒性大,价格贵,导致人们希望寻找代替品,于是镍钴锰酸锂就出现了。

上面我们知道,镍作为三元锂电池的正极活性物质参与化学反应,也就是可以这么理解,镍的含量越高,电池内就能发生更多的化学反应,使更多的锂离子移动,从而获得更大的电池容量。

■ 为什么都 9012 年了,才导入 NCM811 电池?

是因为这种电池在技术上有几个难点,我们挑几个重点的讲。

第一个是镍占比的增大,会导致电池的热稳定性和容量损失,这个跟 NCM 正极结构有关,可以通过制备方法的改进等方式来解决。原理在下面,比较复杂,我用三明治给大家打个比方讲一讲,有兴趣的朋友可以看一看,不想看的请跳到下一个问题的位置。

下面这张图表示了不同 NCM 电池的放电容量、热稳定性和容量保持率的关系,可以看出,随着镍的占比增大,放电容量不断提升,但另外两个参数都是下降的。主要表现形式就是循环充放电的容量损失和高温环境容量加速衰减。

先来讲讲容量保持率,这里涉及到一个概念:阳离子混排是导致电池容量衰减的重要因素。

理解阳离子混排,首先要理解一个“α-NaFeO2 型层状岩盐结构图”的模型,我们上文提到的 LiCoO2、LiNixCoyMnzO2 的空间结构都符合这个模型,这玩意长这样:

长得很难懂……不过你可以简单理解为,这玩意是一个一个三明治拼起来的,第一层面包是个六边形,第二层火腿是个三角形,第三层面包也是三角形,这么三层做成一个三明治。

timg (7)

有了这个模型,我们看看比较好理解的 LiCoO2,长这样:其中锂离子、氧和钴是交替充当第一层面包、第二层面包和火腿的。

然后我们把钴换成三元材料就行了,就类似于你把上面那个三明治中间夹的火腿换成牛肉西红柿和洋葱,换完了大致这样:

timg (6) - 副本

因为 +2 价镍离子(0.069 毫米)与锂离子(0.072 毫米)的半径非常接近,使得镍离子很容易占据锂离子的位置,锂离子也会挤到镍离子,造成阳离子混排,又因为镍离子的半径略小,会导致间晶片厚度变小(理解为三明治的每层厚度减小),并在充电时把 +2 价镍离子氧化为 +3 价或 +4 价,造成局部空间塌陷,增加了锂离子的嵌入难度,自然影响容量。

▲ 左边表示正常的锂离子、镍离子位置,右边是发生了阳离子混排的情况

而锂离子挤到镍离子的位置,因为锂离子半径大于镍离子,使得嵌入的锂离子更难脱出。当然这个问题不是没有解决方案的,使用更高级的正极材料制备技术就能减缓阳离子混排,但技术和工艺的改进绝不是一朝一夕就能完成的。

第二个原因是,高镍电池最好搭配硅基负极技术、高压电解液、隔膜、热管理系统等一系列材料或技术,而这些技术的实现也存在很多技术问题,下面以负极硅基材料为例讲一下,看不懂原理的直接看三明治图上面加粗的字就好。

镍含量的提升导致电池容量增大,就必须配备更大容量的负极材料接收锂离子,根据学术资料,石墨的理论嵌锂容量为0.372Ah/g,而单质硅能达 4.2Ah/g,直接暴增 13 倍。

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▲ 硅负极材料

但是硅做负极又有一个大问题,硅材料在充放电过程中体积变化太大,高达 3 倍以上。这是因为硅不具有石墨那样的结构,它储存锂离子的方式是“发生化学反应”,而不是像石墨那样嵌入。

在首次放电过程中,随着电压的下降,首先形成嵌锂硅与未嵌锂晶态硅两相共存的核壳结构。随着嵌锂深度的增加,锂离子与内部晶体硅反应生成硅锂合金,最终以 Li15Si4 的合金形式存在。这一过程中相比于原始状态硅体积变大约 3 倍,巨大的体积效应导致硅电极的结构破坏,活性物质与集流体活性物质与活性物质之间失去电接触,锂离子的脱嵌过程不能顺利进行,造成巨大的不可逆容量。

行了我知道这段话你们懒得看,就理解成三明治加的肉蛋菜太丰富了把面包撑爆了吧……顺便吐槽下赛百味,每次塞这么多我都没处下口。

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当然这也是有解决手段的,比如说碳化硅材料之类的,我们在这里提到就是想说明一个问题:与高镍正极搭配的负极技术也需要不断的深入研究。

其他的诸如电解液、隔膜、热管理的一系列技术问题,我们就不细讲了。

■ 邦点评

既然广汽新能源在这个节点使用 NCM811 电池,想必对以上的技术和安全问题都有了一套成熟的解决方案,并经过严格的测试和认证才把 Aion S 推向市场。目前也不是只有宁德时代一家推 NCM811 电池,比亚迪早在 2018 年就放出消息说今年会推 NCM811 电池,相信很多朋友都会以为是比亚迪率先开启高镍的时代呢。

邦老师觉得大家也无需纠结或者质疑电池的问题,毕竟 NCM811 是未来的趋势。喜欢尝鲜的消费者不妨试试,保守的朋友们大可观察一阵子 NCM811 电池的后续表现和技术攻关,另外大家有什么不明白的问题都可以问邦老师哦,也欢迎各位技术大神指教~


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