中国NCA体系锂电池发展现状及趋势

锂离子电池按照使用正极材料的不同,主要可以分为钴酸锂电池、三元电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池,从发展前景来看,不管是国家政策,还是市场需求,三元电池似乎都占据先天性的优势,也就是高能量密度,再从各大电池企业的研发投入来看,三元电池的占比也是要远远超过其它类型的锂电池。

三元电池又可以细分成NCM路线和NCA路线,NCM是指正极材料由镍钴锰三种材料按一定比例组合而成,产品类型从NCM111(N:C:M=1:1:1)到,532,622,811,随着镍含量的增加,电池能量密度也相应得到了提升,而NCA的正极材料是由镍钴铝构成,三种材料通常的配比为8:1.5:0.5,相对更高能量密度的NCA规模化应用也在日韩普遍展开。

由于目前锂电池产业主要集中在中日韩三国,从路线的选择上,日本主要以NCA路线为主,韩国则是NCM和NCA齐头并进,中国目前来看是以NCM路线为主,NCA的产量相对较小。

表 1NCM和NCA电池基本信息对比

图 1NCA电池与NCM811电池在过充滥用测试情况下对比

目前,中国还没有大规模生产NCA电池的原因主要有以下几点:

1、中国电池企业对于NCA的研发起步相比于日韩要晚,在制造工艺、专利、材料使用上还是与日韩企业有一定差距。

2、NCA的生产工艺相较于NCM811更加严格,比如NCA在制造过程中要求湿度要控制在10%以下,而NCM以及其它类型电池目前只需要在注液工序对湿度进行严格控制。这种高标准的生产环境对国内企业形成了很大的挑战。

3、误认为NCA电池安全性能较差,需要很好的BMS、模组、电池包的设计方案,这也是为什么目前只有特斯拉能够大规模应用NCA的原因。其实从上图可以看到,在过充滥用测试的情况下,NCM811的安全性是比不上NCA的。

图 2 2016-2020E 中国电动汽车NCA电池装机量预测

从NCA的主要应用来看,首先来看电动汽车领域,从数据上可以看到,2017年NCA装机量同比增长326%,2018年虽同比有所下滑,但到2019年,前七个月的装机量已经超过了2017年、2018年全年的装机量,增速较快,目前中国电动汽车市场NCA电池主要的供应商有松下、三星、江苏天鹏、德朗能、力神。

从电动工具市场的NCA用量来看,装机量由2016年的0.95GWh,增长到2018年1.71GWh,由于电动工具市场使用的全部都是圆柱形锂电池,更加适合NCA体系,预计到2020年电动工具NCA电池装机量能够达到2.44GWh,占整个电动工具总装机量的40%以上。目前,电动工具NCA电池主要供应商有三星SDI、LG、松下、江苏天鹏。

目前NCA电池做的最好的无疑是松下,早期推出的18650NCA电池能量密度就已经达到250Wh/kg,2018年初,由松下和特斯拉联合推出的21700NCA锂电池,单体能量密度已经达到340Wh/kg,超过目前NCM811的280Wh/kg的能量密度。三星SDI是除松下外最主要的NCA动力电池生产厂家,他们的21700主力产品48G 4800mAh能量密度也已经达到260Wh/kg。LG化学为了进入特斯拉供应链,也在积极研发NCA体系的21700电池,2018年已经成功实现了量产,最新产品M50 5000mAh能量密度达到270Wh/kg。

中国国内在NCA电池方面做的最好的企业应该是江苏天鹏,江苏天鹏在NCA电池方面,与特斯拉同类型的高比能NCA/硅体系产品早在2017年底就已实现批量并大规模稳定出货,尤其在电动工具市场锂电池供应上占据国内龙头地位。其它做的比较好的企业还有天津力神、德朗能等。

除了上述已经实现量产的企业,目前中国锂电池龙头企业CATL和BYD都有NCA电池的研发布局,而在NCA材料方面,国外市场NCA材料主要被住友金属、日本化学产业株式会社和户田化学三家所垄断,中国市场目前贝特瑞的产能最大(3000吨NCA材料产能),其它比如杉杉能源、容百锂电、巴莫、长远锂科等都有少量的NCA材料的产能布局。

总的来说,由于技术、成本等原因,目前中国三元锂电池市场还是以NCM为主,NCA规模并不大,但是随着国内电池企业和车企对NCA电池的认知提升,国产化正极材料的综合性能和稳定性的提高,NCA材料成本的下降,国产NCA一定能够突破日韩企业的技术、工艺壁垒,大规模的量产NCA锂电池,未来我们相信三元锂电池的市场将会是NCM和NCA并存前进。