[电池完全征服](33)中对抗LFP的三大关键词：单晶、高电压、中镍

by Kang Heejong

Published 20 Apr.2024 08:00(KST)

Updated 03 May.2024 14:57(KST)

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编者按当下是电池时代。手机、笔记本电脑、电动汽车等几乎所有地方都有电池。[电池完全征服]栏目面向想了解电池的一般读者、学生以及关注电池产业和相关企业的投资者，旨在以通俗易懂的方式介绍电池基础知识与生态体系、企业信息、产业走势与前景。我们将于每周六与各位见面。

EcoPro代表 Song Hojun 在今年1月的新年致辞中表示：“希望通过进一步高度化高镍（High Nickel）技术，并大力发展中镍（Mid Nickel）和磷酸铁锂（LFP）技术，使今年成为掀起‘技术政变’的一年。”

随后在2月初的业绩发布电话会议上，EcoPro首席财务官（CFO） Kim Sunju 也表示：“将把已经验证的高镍单晶量产技术扩大应用于高电压中镍，并计划在年内以整车厂和电池芯制造商为对象，推进获取新客户。”

在今年3月举行的“2024 InterBattery Awards”上，LG能源解决方案开发的“中镍纯NCM（镍·钴·锰）”获得了年度最高创新奖。中镍纯NCM是一款采用可在高电压下运行的中镍（NCM613）材料制造的笔记本电脑用电池。

在 2024 InterBattery Awards 上荣获综合最高创新奖的 LG能源解决方案中镍纯 NCM(613) 笔记本电池。照片由记者姜熙宗提供

这款电池采用了单晶正极材料。LG能源解决方案表示，将通过开发更加先进的下一代中镍电池，计划在更多应用领域推广中镍电池的使用。这意味着将把应用范围从信息技术设备扩展到电动汽车和储能装置（ESS）。

贯穿上述两个案例的关键词是“单晶”“高电压”“中镍”。

随着电动汽车市场扩大，整车厂为生产中低价位的普及型电动汽车，需要价格更低廉的电池。同时，围绕电动汽车起火安全性的担忧加剧，各国正酝酿强化热传播（Thermal Propagation·TP）相关监管。

与韩国电池企业主力布局的NCM、NCA（镍·钴·铝）等三元系电池相比，虽然性能略逊一筹，但热安全性相对更优且价格低廉的中国LFP被更多采用，正是基于这一背景。

对此，国内企业拿出的杀手锏便是采用单晶颗粒的高电压中镍电池。能够在与LFP具备竞争力的价格水平上，提供不亚于高镍NCM性能的高电压中镍电池，正作为新的对抗势力备受瞩目。

日益强化的TP监管……“镍该何去何从”

据电池业界介绍，近期来自美国、欧洲等主要整车厂对热稳定性的要求正在不断提高。这是因为电动汽车火灾事故增加，各国预告将强化电动汽车安全监管所致。

电池安全监管自2018年联合国全球技术法规（UN GTR，Global Technology Regulation）首次发布建议案后开始受到关注。UN-GTR规定：“对于可能威胁电动汽车车内乘员安全的火灾、爆炸情形，必须至少提前5分钟发出警示。”

迄今的研究显示，由电池引发的电动汽车火灾是由热失控（Thermal Runway·TR）和热传播（Thermal Propagation·TP）造成的。热失控是指作为电池基本单元的电芯（Cell）因内外部热因素或化学反应导致温度急剧上升并发生爆炸。由此产生的爆炸向相邻电芯传播并引发火灾的过程即为热传播。

若要满足UN-GTR建议案的要求，则需在首次热失控发生后到热传播之间保证5分钟的延迟时间。电动汽车及电池业界预计，UN-GTR将在2024~2025年前后发布的第二阶段建议案中，将要求从目前的5分钟延长至15~30分钟的更严格延迟时间。此外，还预计自2030年起，监管将被强化到不允许发生任何热传播的程度。

在UN-GTR建议案之后，据悉美国和欧洲也在制定电池安全监管。为应对此类动向，电动汽车整车厂正主动要求电池企业提供热稳定性更高的电池。

电池业界认为，近期包括特斯拉在内的主要电动汽车厂商扩大搭载中国LFP电池，也与上述背景不无关系。通用汽车、福特等整车企业近几年因电动汽车起火而多次召回并产生损失，也在不断放大其对电动汽车安全性的需求。

整车厂认为，为防止热传播，虽然可以通过电池管理系统（Battery Management System，BMS）对热量进行管理，或在电池包和模组上采用特殊材料，但从根本上降低电芯本身的起火风险才是关键。

韩国企业具有优势的三元系电池，以NCM（镍·钴·锰）、NCA（镍·钴·铝）为正极活性物质。NCM、NCA正极材料以镍（Ni）为核心原料。正极活性物质中镍含量越高，能够储存的锂离子就越多，从而提升能量密度，并在一次充电时增加续航里程。正极活性物质中镍含量在80%以上的电池被称为高镍电池。

但另一方面，镍在锂离子电池充电过程中会被氧化为+4价。被氧化的四价镍离子（Ni 4+）处于极不稳定状态，会与电解液反应生成氧化镍。同时，由于镍与氧的键合能较弱，具有通过放热来实现稳定化的特性。正因为如此，镍含量越高，热稳定性越差。国内电池企业通过掺杂铝或对正极材料颗粒进行涂层来解决这一问题，并已将镍含量90%以上的正极材料实现商业化。

然而，据悉包括全球整车厂在内的客户仍然对高镍电池心存不安。再加之高镍电池价格昂贵，难以拉低电动汽车整车价格，这也成为客户将目光转向LFP电池的原因。

因此，作为LFP的替代方案，国内正极材料及电池企业强调的是高电压中镍电池。高电压中镍是指在将镍含量降至50~70%的同时，提高电压以提升能量密度。减少价格昂贵的镍含量，可以增强稳定性并降低成本。此外，高电压中镍正极材料中使用的碳酸锂比氢氧化锂更为廉价。

技术倒退？……看似相同却不同的中镍

正极材料企业一直致力于提高镍含量。从镍、钴、锰含量分别为50%、20%、30%的NCM523，到NCM622、NCM811、NCM9半半（1/2, 1/2），技术不断演进。因此，一提到中镍，容易被认为是电池技术向过去倒退。

但目前业界热议的高电压中镍，与过去的中镍在本质上截然不同。

LG能源解决方案在2024 InterBattery Awards上获得最高创新奖的产品为NCM613。在传统中镍基础上，减少了钴的含量，转而提高锰的比例。据悉，通过这一方式，相较既有高镍电池，成本降低了10%，热稳定性提升了30%。

通常在NCM正极材料中，钴承担输出功能。所谓输出，是指瞬间释放动力的特性。但钴价格昂贵，且在矿产开采阶段存在童工问题，国际社会正推动减少使用。由此产生了无钴（Cobalt Free）或低钴（Cobalt Less）正极材料。

相对而言，开发正向朝着提高锰含量的高锰（Manganese rich）方向推进。锰不仅比镍、钴价格更低，而且更有利于实现高电压。在锂离子电池中，锰负责结构稳定性。

减少镍含量会导致能量容量下降。为解决这一问题，电池业界正在开发高电压中镍电池。由于“能量密度=容量×电压”，提高电压即可弥补容量下降。

业界目前正以将充电电压从4.2~4.3V提高至4.4~4.5V为目标开展研发。据悉，每将充电电压提高0.1V，能量密度就会增加5mAh/g以上。实际上，正极材料业界认为，高电压中镍（单晶单峰）电池的能量密度优于高镍（多晶双峰）。

然而，提高充电电压是极具挑战性的课题。虽然提升电压可以提高能量密度，但可能在材料内部产生裂纹或破裂。为提高稳定性而增加锰含量也存在上限，据悉锰含量增加会伴随电阻上升，从而降低电池性能。

通过采用掺杂材料或对颗粒表面进行涂层可以抑制裂纹，但既难以找到合适材料，也会推高成本。

电池业界正试图在单晶（Single-Crystal）中寻找答案。单晶最初作为提升高镍正极材料寿命和容量的技术而开始开发，如今在中镍正极材料上也被视为极佳的解决方案。

所谓单晶，是指材料的单个颗粒呈现一个完整晶体结构。在锂离子电池中，是指将镍、钴、锰等多种金属制成一个颗粒形态（one body）的材料。

图片来源 LG化学 LG Chemitopia 提供

目前锂离子电池使用的是由多个晶体构成一个颗粒的多晶（Poly-Crystal）正极材料。多晶正极材料在压延工艺中容易破碎。尤其是在反复充放电过程中，材料之间会产生裂纹，电解液渗入这些缝隙后与材料发生副反应，从而产生气体。

相反，单晶产品因颗粒单元为一个整体，有助于防止裂纹产生，并提升稳定性和寿命性能。单晶在高压力下也不易破碎，因此在实现全固态电池或干式电极方面也具有优势。业界分析认为，与多晶相比，单晶正极材料容量可提升约10%，寿命可提升约30%。

另一方面，正极材料按颗粒大小可分为大粒径（10~20微米·㎛）和小粒径（5㎛以下）。为减少颗粒间空隙，正极材料会将大粒径与小粒径混合使用，这被称为双峰（bimodal）。通常以8:2或7:3的比例混合大粒径与小粒径。

业界预计，首先会同时使用大粒径多晶与小粒径单晶，未来将演进为仅使用小粒径单晶的单峰（Unimodal）方式。

中镍能否对抗LFP

国内电池芯及材料企业一方面着眼于普及型电动汽车和储能装置（ESS）市场开发LFP电池，另一方面也同步开发采用单晶的高电压中镍正极材料，实施“双轨”战略。

LG化学于2023年6月在国内首次实现高镍单晶正极材料量产，目前正同时开发高电压中镍和LFP正极材料。EcoPro BM也表示，将把单晶技术扩大应用于高电压中镍。

POSCO Future M去年生产了镍含量在86%以上的单晶正极材料，并供应给LG能源解决方案与通用汽车合资的美国Ultium Cells公司。该公司也在开发采用单晶颗粒结构的高电压中镍材料。

拥有单晶高镍技术的L&F据悉也在开发高电压中镍技术。Cosmo Advanced Materials & Technology则在生产高镍小粒径单晶正极材料。

刚刚开始受到关注的高电压中镍究竟会在电动汽车市场引发多大连锁反应，目前难以判断。市场调研机构也尚未给出明确展望。

锂离子电池正极材料市场前景。SNE Research 2024 NGBS 研讨会提供。

市场仍普遍看好LFP在锂离子电池市场中的优势。根据市场调研机构SNE Research的数据，LFP去年在整体正极材料市场（包括电动汽车·ESS·IT）中占据37%的份额。三元系的占比则为高镍NCM（16%）、中镍（NCM523·NCM622，22%）、NCA（11%）等合计49%。

预计到2030年，LFP占比将升至54%，超过半数，而中镍的份额将降至10%。也就是说，现有中镍正极材料在中低价及普及型电动汽车市场将被LFP压制。

当然，这一预测完全可能因未来推向市场的高电压中镍正极材料的实际表现而改变。如果出现在价格、性能与安全性方面均衡兼备的新型中镍正极材料，有可能在电动汽车市场掀起风潮。

<参考文献>

WAGU Research，《电池热管理系统需求扩大》，2023.6.25
LG能源解决方案，《[All about Battery] 为什么镍是正极材料的核心原料？》，2023.7.27
LG化学，《[LG Chemtopia] FOCUS ON – 高镍单晶正极材料》，2024.2.19
POSCO Newsroom，《POSCO Future M主导的下一代正极材料技术》，2024.3.7

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。