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为什么高镍三元材料表面残碱越高
表面残碱主要指的是材料颗粒表面的LiOH、Li2CO3之类的物质，来源主要是烧结反应未烧进去的Li，或者高温烧结导致材料分解产生的残锂，另一方面就是材料在空气中放置太久产生的。Ni含量越高，烧结条件越苛刻，越难以烧结形成特定锂金属比的材料，造成烧结产物的残锂多。另一方面就是Ni含量越高越容易跟空气中的水和CO2反应，生成LiOH和Li2CO3，造成所谓的表面残碱高。虽然我研究课题不是高镍，但是层状材料应该有相通的地方，仅供参考。
镍，钴，锰在三元材料电池里分别起什么作用
在三元材料电池中钴可以稳定材料的层状结构，而且可以提高材料的循环和倍率性能。镍可以提高增加材料的体积能量密度。锰可以降低材料成本、提高材料安全性和结构稳定性。
镍钴锰三元电池材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高，但是平台太低，用在手机上（手机截止电压一般在3.4V左右）会有明显的容量不足的感觉，在一些山寨手机上已经有在用三元材料的电池了，特别是容量比较高的电池。

扩展资料
常规的电池正极材料是钴酸锂LiCoO2，三元材料则是镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2。
三元复合正极材料前驱体产品，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，磷酸铁锂容量发挥偏低，不适合追求高容量手机电池的要求
高镍三元材料电压是多少伏？
国际上普遍称呼三元材料为NMC。
但是国内出于发音的习惯一般称为镍钴猛(NCM)，这样就带来了三元材料型号的误解，因为三元材料的名称比如333、442、532、622、811等都是以NMC的顺序来命名的。而BASF则是因为购买了美国阿贡国家实验室(ANL)的相关专利，为了显示自己与3M的“与众不同”并且拓展中国市场，而故意称三元材料为NCM。
三元材料(NMC)实际上是综合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三种材料的优点，由于Ni
、Co和Mn之间存在明显的协同效应，因此NMC的性能好于单一组分层状正极材料，而被认为是最有应用前景的新型正极材料之一。
三种元素对材料电化学性能的影响也不一样，一般而言，Co能有效稳定三元材料的层状结构并抑制阳离子混排，提高材料的电子导电性和改善循环性能。但是Co比例的增大导致晶胞参数a和c减小且c/a增大，导致容量降低。
而Mn的存在能降低成本和改善材料的结构稳定性和安全性，但是过高的Mn含量将会降低材料克容量，并且容易产生尖晶石相而破坏材料的层状结构。Ni的存在使晶胞参数c和a增大且使c/a减小，有助于提高容量。但是Ni含量过高将会与Li+产生混排效应而导致循环性能和倍率性能恶化，而且高镍材料的pH值过高影响实际使用。
在三元材料中，根据各元素配比的不同，Ni可以是+2和+3价，Co一般认为是+3价，Mn则是+4价。三种元素在材料中起不同的作用，充电电压低于4.4V(相对于金属锂负极)时，一般认为主要是Ni2+参与电化学反应形成Ni4+;继续充电在较高电压下Co3+参与反应氧化到Co4+，而Mn则一般认为不参与电化学反应。
三元材料根据组分可以分为两个基本系列：低钴的对称型三元材料LiNixMnxCo1-2xO2和高镍的三元材料LiNi1-2yMnyCoyO2两大类型，三元材料的相图如上图所示。此外有一些其它组分，比如353、530、532等等。
对称型三元材料的Ni/Mn两种金属元素的摩尔比固定为1，以维持三元过渡金属氧化物的价态平衡，代表性的产品是333和442系列三元材料，这个组分系列在美国3M专利保护范围内。
这类材料由于Ni含量较低Mn含量较高晶体结构比较完整，因此具有向高压发展的潜力，笔者在“消费电子类锂离子电池正极材料产业化发展探讨”一文里已经进行了比较详细的讨论。
从高镍三元NMC的化学式可以看出，为了平衡化合价，高镍三元里面Ni同时具有+2和+3价，而且镍含量越高+3价Ni越多，因此高镍三元的晶体结构没有对称型三元材料稳定。在这两大系列之外的其它一些组分，一般都是为了规避3M或者ANL、Umicore、Nichia的专利而开发出来的。比如532组分原本是SONY
和松下为了规避3M的专利的权宜之计，结果现在NMC532反倒成了全球最畅销的三元材料。
三元材料具有较高的比容量，因此单体电芯的能量密度相对于LFP和LMO
电池而言有较大的提升。近几年，三元材料动力电池的研究和产业化在日韩已经取得了较大的进展，业内普遍认为NMC动力电池将会成为未来电动汽车的主流选择。
一般而言，基于安全性和循环性的考虑，三元动力电池主要采用333、442和532这几个Ni含量相对较低的系列，但是由于PHEV/EV对能量密度的要求越来越高，622在日韩也越来越受到重视。
三元材料的核心专利主要掌握在美国3M公司手里，阿贡国家实验室(ANL)也申请了一些三元材料(有些包含于富锂锰基层状固溶体)方面的专利，但业界普遍认为其实际意义并不及3M。
国际上三元材料产量最大的是比利时Umicore，并且Umicore和3M形成了产研联盟。此外，韩国LF，日本Nichia
(日亚化学)，Toda Kogyo( 户田工业) 也是国际上主要的三元材料生产厂家，而德国BASF则是新加入的三元新贵。
值得一提的是，国际上四大电芯厂家(S
O N Y、Panasonic、Samsung SDI 和LG)在三元材
料和钴酸锂正极材料方面，都有相当比例的inhouse产能，这也是这四家大厂相对于全球其它电芯厂家技术大幅领先的一个重要体现。
1、三元材料的主要问题与改性手段
目前NMC应用于动力电池存在的主要问题包括：
(1)由于阳离子混排效应以及材料表面微结构在首次充电过程中的变化，造成NMC的首次充放电效率不高，首效一般都小于90%;
(2)三元材料电芯产气较严重安全性比较突出，高温存储和循环性还有待提高;
(3)锂离子扩散系数和电子电导率低，使得材料的倍率性能不是很理想;
(4)三元材料是一次颗粒团聚而成的二次球形颗粒，由于二次颗粒在较高压实下会破碎，从而限制了三元材料电极的压实，这也就限制了电芯能量密度的进一步提升。针对以上这些问题，目前工业界广泛采用的改性措施包括：
杂原子掺杂。为了提高材料所需要的相关方面的性能(如热稳定性、循环性能或倍率性能等)，通常对正极材料进行掺杂改性研究。但是，掺杂改性往往只能改进某一方面或部分的电化学性能，而且常常会伴随着材料其它某一方面性能(比如容量等)的下降。
NMC根据掺杂元素的不同可以分为：阳离子掺杂、阴离子掺杂以及复合掺杂。很多阳离子掺杂被研究过，但有实际效果的仅限于Mg、Al、Ti、Zr、Cr、Y、Zn这几种。一般而言，对NMC进行适当的阳离子掺杂，可以抑制Li/Ni
的阳离子混排，有助于减少首次不可逆容量。
阳离子掺杂可以使层状结构更完整，从而有助于提高NMC的倍率性，还可以提高晶体结构的稳定性，这对改善材料的循环性能和热稳定性的效果是比较明显的。
阴离子掺杂主要是掺杂与氧原子半径相近的F原子。适量地掺杂F可以促进材料的烧结，使正极材料的结构更加稳定。F掺杂还能够在循环过程中稳定活性物质和电解液之间的界面，提高正极材料的循环性能。
混合掺杂一般是F和一种或者数种阳离子同时对NMC进行掺杂，应用比较广泛的是Mg-F、Al-F、Ti-F、Mg-Al-F、Mg-Ti-F这么几种组合。混合掺杂对NMC的循环和倍率性能改善比较明显，材料的热稳定性也有一定提高，是目前国际主流正极厂家采用的主要改性方法。
NMC掺杂改性关键在于掺杂什么元素，如何掺杂，以及掺杂量的多少的问题，这就要求厂家具有一定的研发实力。NMC的杂原子掺杂既可以在前驱体共沉淀阶段进行湿法掺杂，也可以在烧结阶段进行干法掺杂，只要工艺得当都可以收到不错的效果。厂家需要根据自己的技术积累和经济状况来选择适当的技术路线，所谓条条大道通罗马，适合自家的路线就是最好的技术。
表面包覆。NMC表面包覆物可以分为氧化物和非氧化物两种。最常见的氧化物包括MgO、Al2O3、ZrO2和TiO2这几种，常见的非氧化物主要有AlPO4、AlF3、LiAlO2、LiTiO2等。无机物表面包覆主要是使材料与电解液机械分开从而减少材料与电解液副反应，抑制金属离子的溶解，优化材料的循环性能。
同时，无机物包覆还可以减少材料在反复充放电过程中材料结构的坍塌，对材料的循环
性能是有益的。NMC的表面包覆对降低高镍三元材料表面残碱含量是比较有效的，这个问题笔者后面还会谈到。
同样，表面包覆的难点首先在于选择什么样的包覆物，再就是采用什么样的包覆方法以及包覆量的多少的问题。包覆既可以用干法包覆，也可以在前驱体阶段进行湿法包覆的，这都需要厂家需要根据自身情况选择合适的工艺路线。
生产工艺的优化。改进生产工艺主要是为了提高NMC产品品质，比如降低表面残碱含量、改善晶体结构完整性、减少材料中细粉的含量等，这些因素都对材料的电化学性能有较大影响。比如适当调整Li/M比例，可以改善NMC的倍率性能，增加材料的热稳定性，这就需要厂家对三元材料的晶体结构有相当的理解。
2、三元材料的前驱体生产
NMC跟其它几种正极材料的生产过程相比，有个很大的不同之处就是其独特的前驱体共沉淀生产工艺。虽然在LCO、LMO和LFP的生产当中，采用液相法生产前驱体越来越普遍，而且在高端材料生产中更是如此，但对于大多数中小企业而言固相法仍然是这几种材料的主流工艺。
然而三元材料(也包括NCA和OLO)，则必须采用液相法才能保证元素在原子水平的均匀混合，这是固相法无法做到的。正是有了这个独特的共沉淀工艺，使得NMC的改性相对其它几种正极材料而言更加容易，而且效果也很明显。
目前国际主流的NMC前驱体生产采用的是氢氧化物共沉淀工艺，NaOH作为沉淀剂而氨水是络合剂，生产出高密度球形氢氧化物前驱体。该工艺的优点是可以比较容易地控制前驱体的粒径、比表面积、形貌和振实密度，实际生产中反应釜操作也比较容易。但也存在着废水(含NH3和硫酸钠)处理的问题，这无疑增加了整体生产成本。
碳酸盐共沉淀工艺从成本控制的角度而言具有一定优势，即使不使用络合剂该工艺也可以生产出球形度很好的颗粒。碳酸盐工艺目前最主要的问题是工艺稳定性较差，产物粒径不容易控制。碳酸盐前驱体杂质(Na和S)含量相对氢氧化物前驱体较高而影响三元材料的电化学性能，并且碳酸盐前驱体振实密度比氢氧化物前驱体要低，这就限制了NMC能量密度的发挥。
笔者个人认为，从成本控制以及高比表面积三元材料在动力电池中的实际应用角度来考虑，碳酸盐工艺可以作为主流氢氧化物共沉淀工艺的主要补充，需要引起国内厂家的足够重视。
目前国内正极材料厂家普遍忽视三元材料前驱体的生产和研发，大部分厂家直接外购前驱体进行烧结。笔者这里要强调的是，前驱体对三元材料的生产至关重要，因为前驱体的品质(形貌、粒径、粒径分布、比表面积、杂质含量、振实密度等)直接决定了最后烧结产物的理化指标。
可以这么说，三元材料60%的技术含量在前驱体工艺里面，而相对而言烧结工艺基本已经透明了。所以，无论是从成本还是产品品质控制角度而言，三元厂家必须自产前驱体。
事实上，国际上三元材料主流厂商，包括Umicore、Nichia、LF、Toda
Kogyo无一例外的都是自产前驱体，只有在自身产能不足的情况下才适当外购。所以，国内正极厂家必须对前驱体的研发和生产引起高度重视。
3、三元材料表面残碱含量的控制
NMC(也包括NCA)表面残碱含量比较高是其在实际应用中一个比较突出的问题。NMC表面的碱性物质主要成分是Li2CO3，此外还有一部分以Li2SO4和LiOH的形式存在。
正极材料表面的碱性化合物主要来住两个方面的因素。第一个因素在实际的生产过程中，因为锂盐在高温煅烧过程中会有一定的挥发，配料时会稍微提高Li/M比(即锂盐适当过量)来弥补烧结过程中造成的损失。因此多少都会有少量的Li剩余(在高温下以Li2O的形式存在)，温度降低到室温以后Li2O会吸附空气中的CO2和H2O而形成LiOH和Li2CO3等。
第二个因素，就是实验已经证实正极材料表面的活性氧阴离子会和空气中的CO2和水分反应而生成碳酸根，同时锂离子从本体迁移到表面并在材料表面形成Li2CO3，这一过程同时伴随着材料表面脱氧而形成结构扭曲的表面氧化物层。任何一种正极材料，只要与暴露在空气中就会生成碳酸盐，只是量多少的问题。
表面碱性化合在不同种类的正极材料的表面的形成难易程度是不一样的，一般的规律是NCA
≈ 高镍NMC 低镍NMC ≈ LCO LMO LFP。也就是说，三元或者二元材料表面残碱含量跟Ni含量有直接关联。
正极材料的表面残碱含量过高会给电化学性能带来诸多负面影响。首先是它会影响涂布，NCA和富镍三元材料在匀浆过程中很容易形成果冻状，主要就是因为它们表面的碱性氧化物含量太高吸水所致。表面碱性化合物对电化学性能的影响主要体现在增加了不可逆容量损失，同时恶化循环性能。
此外，对于NCA和富镍三元材料来说，表面的Li2CO3在高电压下分解，是电池胀气的主要原因之一，从而带来安全性方面的隐患。因此，降低表面残碱含量对于三元材料在动力电池中的实际应用具有非常重要意义。
目前国内厂家普遍采用的是对三元材料进行水洗，然后在较低的温度二次烧结(水洗
+
二烧)的工艺来降低NMC表面残碱含量。这个方法可以将表面残碱清洗得比较彻底，但其弊端也是非常明显的，处理之后的三元材料倍率和循环性能明显下降而达不到动力电池的使用要求，并且水洗
+ 二烧还增加了成本，因此笔者并不推荐这个方法。
笔者个人认为，需要在生产中综合采取一系列的措施才能有效降低三元材料表面碱含量。在前驱体阶段需要控制好氨水的含量和保护气氛的分压，对于高镍三元甚至还需要加入适量的添加剂来降低碳和硫含量。
混料阶段严格控制Li/M比例，烧结阶段优化烧结温度的升温程序，退火阶段控制氧分压、降温速度和车间湿度，最后真空密封包装成品材料。
也就是说，从前驱体开始到最后包装都需要严格控制材料与空气的接触。这一系列工艺措施的综合使用，就可以有效降低三元材料的表面残碱含量，即使是未改性的高镍622其表面pH值也可以控制在11左右。另外，表面包覆也是降低三元材料表面残碱含量的有效方法，因此高镍的NMC一般都需要表面包覆改性。
笔者这里要强调的是，对于正极材料尤其是NMC和NCA的表面残碱问题，必须引起正极材料生产厂家的高度重视，虽然不可能绝对无残留，但必须使其含量尽可能低或是控制在稳定合理的范围之内(一般500-1000
ppm以下)。国内NCA一直不能量产，一个很重要的技术原因就是在生产过程中疏忽了对温度、气氛和环境湿度的严格控制，而无法实现封闭生产。
4、高比表面积和窄粒径分布NMC的生产
用于HEV和PHEV的动力电池要兼顾功率和能量密度的需求，动力型三元材料的要求跟普通用于消费电子产品的三元材料是不一样的。满足高倍率的需求就必须提高三元材料的比表面积而增大反应活性面积，这跟普通三元材料的要求是相反的。
三元材料的比表面积是由前驱体的BET所决定的，那么如何在保持前驱体球形度和一定振实密度的前提下，尽可能的提高前驱体的BET，就成了动力型三元材料要攻克的技术难题。
一般来说，提高前驱体BET需要调整络合剂浓度，并且改变反应器的一些参数比如转速温度流速等等，这些工艺参数需要综合优化，才能不至于较大程度牺牲前驱体的球形度和振实密度，而影响电池的能量密度。
采用碳酸盐共沉淀工艺是提高前驱体BET的一个有效途径，正如笔者前面提到的碳酸盐工艺目前还存在一些技术难题，但笔者个人认为，碳酸盐共沉淀工艺或许可以在生产高比表面积三元材料方面发挥用武之地，因此这个工艺值得深入研究。
动力电池的一个最基本要求就是长循环寿命，目前要求与整车至少的一半寿命相匹配(8-10年)，100%DOD循环要达到5000次以上。就目前而言，三元材料的循环寿命还不能达到这个目标，目前国际上报道的三元材料最好的循环记录是Samsung
SDI制作的NMC532的三元电芯，在常温下0.5C的循环寿命接近3000次。
但笔者个人认为，三元材料的循环寿命还有进一步提高的潜力。除了笔者前面提到的杂原子掺杂、表面包覆等因素以外，控制产品的粒径分布也是一个很重要的途径，对动力电池来说这点尤为重要。我们知道，通常生产的三元材料的粒径分布较宽，一般在1.2-1.8之间。如此宽的粒径分布，必然会造成大颗粒和小颗粒中Li和过渡金属含量的不同。
精细的元素分析结果表明，小颗粒中的Li和镍含量高于平均值(Li和镍过量)而大颗粒的Li和镍含量低于平均值(Li和镍不足)。那么在充电过程中，由于极化的原因，小颗粒总是过度脱锂而结构被破坏，并且在充电态高镍小颗粒与电解液的副反应更加剧烈，高温下将更加明显，这些都导致小颗粒循环寿命较快衰减，而大颗粒的情况正好相反。
也就是说，材料整体的循环性能实际上是由小颗粒所决定的，这也是制约三元材料循环性进一步提升的重要因素。这个问题在3C小电池中是无法体现出来的，因为其循环性只要求达到500而已，但是对于循环寿命要求达到5000次的动力电池而言，这个问题将是非常重要的。进一步提升三元材料的循环性，就必须生产粒径大小均匀一致(粒径分布小于0.8)的三元材料，从而尽可能的避免小颗粒和大颗粒的存在，这就给工业化生产带来了很大的挑战。NMC的粒径分布完全取决于前驱体，这里我们再一次看到了前驱体生产对三元材料的重要意义。对于氢氧化物共沉淀工艺，使用普通的反应器是不可能生产出粒径分布小于1.0的前驱体颗粒的，这就需要采用特殊设计的反应器或者物理分级技术，进一步减小前驱体的粒径分布。采用分级机将小颗粒和大颗粒分离以后前驱体的粒径分布可以达到0.8。因为去除了小颗粒和大颗粒，前驱体的产率降低了，这实际上较大地增加前驱体生产成本。
为了达到原材料的综合利用而降低生产成本，厂家必须建立前驱体回收再处理生产线，这就需要厂家综合权衡利弊，选择合适的工艺流程。
窄粒径分布的三元材料在实际应用中，极片涂布的一致性明显提高，除了增加电芯循环寿命以外，还可以降低电池的极化而改善倍率性能。国内三元厂家由于技术水平的限制，目前还没有认识到这个问题的重要性。笔者个人认为，窄粒径分布将会成为动力型三元材料的一个重要技术指标，希望这个问题能够引起国内厂家的高度重视。5三元材料的安全性问题
三元材料电芯相对与LFP和LMO电芯而言安全性问题比较突出，主要表现在过充和针刺条件下不容易过关，电芯胀气比较严重，高温循环性不理想等方面。笔者个人认为，三元电芯的安全性需要同时在材料本身和电解液两方面着手，才能收到比较理想的效果。
从NMC材料自身而言，首先要严格控制三元材料的表面残碱含量。除了笔者上面讨论到的措施，表面包覆也是非常有效的。一般而言，氧化铝包覆是最常见的，效果也很明显。氧化铝即可以在前驱体阶段液相包覆，也可以在烧结阶段固相包覆，只要方法得当都可以起到不错的效果。
最近几年发展起来的ALD技术可以实现NMC表面非常均匀地包覆数层Al2O3，实测的电化学性能改善也比较明显。但是ALD包覆会造成每吨5千到1万元的成本增加，因此如何降低成本仍然是ALD技术实用化的前提条件。
其次，就是要提高NMC结构稳定性，主要是采用杂原子掺杂。目前使用较多的是阴离子和阳离子复合掺杂，对提高材料的结构和热稳定性都是有益的。另外，Ni含量是必须考虑的因素。对于NMC而言，其比容量随着Ni含量的升高而增加，但是我们也要认识到，提高镍含量引起的负面作用也同样非常明显。
随着镍含量的升高，Ni在Li层的混排效应也更加明显，将直接恶化其循环性和倍率性能。而且提高镍含量使得晶体结构稳定性变差，表面残碱含量也随之升高，这些因素都会导致安全性问题比较突出，尤其是在高温测试条件下电芯产气非常严重。因此，三元材料并不是镍含量越高越好，而是必须综合权衡各方面的指标要求。
笔者认为，高镍三元材料的单独使用上限可能是70%，镍含量再高的话，高镍带来的各种负面影响将足以抵消容量提升的优势而得不偿失。
另外，笔者这里还要指出的是需要严格控制成品中的细粉含量，细粉和小颗粒是两个不同的概念，细粉是形貌不规则的且粒径小于0.5微米的颗粒，这种颗粒不仅小且不规则，在实际生产中很难去除而给正极材料的使用留下了很大的安全隐患。因此，如何控制并去除材料中的细粉是生产中一个重要问题。
三元电芯的安全性，还需要结合电解液的改进，才能得到比较好的解决。关于电解液这块，涉及的技术机密较多，公开报道的资料很少。一般来说，三元材料在DMC体系中的电化学性能要好于DEC，添加PC也可以减少高电压下的副反应。混合LiBOB和LiPF6用于电解质盐，可以提高三元材料的高温循环性能。
电解液的改性，目前主要是从特种功能添加剂上面下功夫，目前已知的添加剂包括VEC、DTA、LiDFOB、PS等等，都可以改善三元电芯的电化学性能。这就需要电芯厂家和电解液生产商联合攻关，研究适合于三元材料的电解液配方。6三元材料的市场应用分析三元材料从一开始，是作为钴酸锂的替代材料发展起来的，人们普遍预计钴酸锂将很快被三元材料所取代。然而数十年过去了，钴酸锂在3C小电池的地位非但没有减弱，这两年更是乘着Apple的高电压东风，地位愈发难以撼动，2013年钴酸锂的销量仍然占据超过50%的全球正极材料市场份额。
在笔者看来，三元材料在未来的数年之内，还是很难在3C领域取代钴酸锂。
这主要是因为一方面，单独使用三元材料很难满足智能手机在电压平台方面的硬性要求;另一方面，三元材料的二次颗粒结构很难做到高压实，使得三元材料电池在体积能量密度上仍然不能达到高端(高压实高电压)钴酸锂的水平。在未来数年之内，三元材料在3C领域仍然只是一个辅助角色。
单晶高压三元材料在高压电解液成熟之后，有可能会在3C领域获得更加广泛的应用，相关的分析可以参阅笔者之前发表的“消费电子类锂离子电池正极材料产业发展探讨”一文。事实上笔者倾向于认为，三元材料更加适用于电动工具和动力电池领域。近两年，电动汽车对在动力电池的能量密度要求有明显的增加趋势，已经有汽车厂商开始在HEV和PHEV上试验三元电芯了。
如果仅仅从能量密度的要求而言，HEV的能量密度要求较低，LMO、LFP和NMC电芯都可以满足要求。PHEV的能量密度要求较高，目前只有NMC/NCA电芯可以满足PHEV的要求，而受到Tesla动力电池技术路线的影响，NMC也必然会在EV上有扩大应用的趋势。
目前日本和韩国已经将动力电池的研发重点从LMO电池转移到了NMC电池，这一趋势非常明显。国家工信部给新能源汽车动力电池企业下达的三个硬指标，2015年单体电池能量密度180Wh/kg以上(模块能量密度150
Wh/kg以上)，循环寿命超过2000次或日历寿命达到10年，成本低于2元/Wh。目前只有NMC电芯可以同时满足前三个硬指标。
因此笔者个人认为，NMC必将在未来成为动力电池的主流正极材料，而LFP和LMO由于自身缺点的限制而将只能屈居配角的地位。
现阶段业内比较一致的看法，NMC动力电池是趋势,未来3-5年之内高端的三元体系的动力锂电池将会呈现供不应求的局面。短期来看,目前国内动力锂电池仍将以磷酸铁锂为主锰酸锂为辅，国内的锂电池和电动汽车企业可通过对磷酸铁锂材料的掌握，在2-3年内形成成熟的电池技术，提高技术水平，然后再过渡到三元材料的技术路线上来。
因此材料和电芯厂家加紧在三元材料方面的布局，就成了比较迫切的战略问题。
笔者最后谈谈三元材料成本的问题，NMC相对LMO和LFP而言成本较高，这已是很多国人力捧LFP的初衷之一。目前国内质量较好的三元材料价格一般在15-18万元/吨，而动力型高端LMO一般在8万元左右，目前品质较好的LFP价格已经降到了10万元左右，而且LMO和LFP的成本都还有进一步下降的空间，比如LMO下降到6万元、LFP下降到6-8万元都有可能。
那么，成本就成了制约三元材料大规模应用于动力电池的一个关键因素。如果我们简单分析一下三元材料里面金属的成本比例，就发现如果单从原材料和生产工艺上降低成本，空间其实并不大。
笔者个人认为，比较现实的途径只能有两条，一是进一步提高NMC产品的质量，以期达到超长循环寿命。如果我们比较单次循环的成本，那么增加循环寿命无疑会较大程度地降低动力电池在全寿命期间的整体使用成本。但这就需要企业具备很强的研发和技术实力，并且会增加生产成本。
虽然这是国际正极材料巨头们普遍采用的策略，但就目前国内正极材料厂家的利润率和研发水平而言，这条道路其实很艰难。
另外一条途径，就是建立完整的电池回收体系，从而充分利用金属资源。如果类似西方国家通过国家立法强制回收废旧锂电，笔者简单的计算表明，扣除回收工艺成本以后(回收Co和Ni，而Mn和Fe太便宜没有回收价值)，回收的金属大概可以弥补20%-30%的原材料成本，最终的三元材料成本将有10%-20%左右的下降空间。
如果考虑到三元电芯的高能量密度，那么三元电芯每Wh的成本跟LFP和LMO电池相比是有竞争力的。这就需要国内有一两家能够在产业链上进行整合的领军企业，在金属矿物原材料、三元材料生产、电芯制作和电池回收这几个领域有一定的业务重叠，才能最大限度地实现资源的最优化配置而降低生产成本。
号称量产元年？高镍811动力电池需冷静
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1.高镍NCM811在政策和市场的双重作用下，成为中国电池厂商的热门目标。2.自行车、天津李绅、 比亚迪 、彭辉能源、亿威锂能等动力电池公司。已全部投入NCM811技术路线的研发和生产。3.国内专家认为，NCM811的安全性和循环寿命仍是短期的，还面临技术、上游材料供应等瓶颈。同时，他们担心NCM 811上市太快。4.业内专家预测，NCM811电池2022年后可以商业化。
为什么高镍811三元锂电池风大？
NCM811，即正极材料中Ni、Co、Mn含量比为80%: 10%: 10%的三元锂电池，代表了目前三元锂电池领域能量密度最高、技术含量最高的路线。镍钴锰NCM和镍钴铝NCA是三元锂电池。由于NCA电池的高技术壁垒和日本公司对NCA材料市场的垄断，中国电池厂商在综合技术条件、工艺、成本等多重因素下，大多选择NCM路线。
根据镍、钴和锰的不同用量比例，镍钴锰三元锂电池可细分为111型、523型、622型和811型。镍在锂离子电池中的主要作用是增加克容量，使电池的能量密度更高。公开数据显示，NCM811材料的克容量可达190mAh/g，高于目前国内主流动力电池NCM523的166 mAh/g。
NCM811成为中国电池厂商的热门目标，原因有很多。首先，国家政策不断将动力电池的能量密度作为引导新能源汽车产业发展的关键指标，同时新能源补贴与动力电池的能量密度直接挂钩。此外，根据《汽车工业中长期发展规划》，目标是到2021年动力电池能量密度达到300Wh/kg以上，力争达到350Wh/kg，系统能量密度达到260Wh/kg，成本低于1元/Wh。
从行业现状来看，NCM523的最高能量密度为200Wh/kg，NCM622和NCM811的最高能量密度可达230Wh/kg和280Wh/kg以上。如果用三元锂电池实现2021年260Wh/kg的目标，可能只有NCM811能胜任。
其次，作为三元锂电池的关键材料，钴金属价格暴涨，迫使电池企业选择NCM811路线。随着近年来三元锂电池市场的发展，锂、钴等金属资源趋紧，尤其是金属钴，价格从2021年底的27万元/吨上涨至2021年底的53.4万元/吨，大幅上涨97.8%。而目前一吨电解镍的价格才11万多一点。81路线可以提高镍的含量，降低钴的含量，也可以降低成本。
很多企业进入高镍811
在新的政策和市场环境下，许多中国电池企业宣布或规划了RD和生产高镍811项目，因此2021年也被业内称为高镍811量产元年。
今年5月，Bike Battery率先宣布量产3.0Ah圆柱形18650电池NCM811，电池能量密度提升至250Wh/kg。作为国内最早量产NCM811电池的企业，BIC提供的客户名单显示了行业对新技术路线的热情:据介绍，BIC NCM811电池已应用于零跑、小鹏、杜云、江淮、SAIC大通、BAIC新能源等企业。彭辉能源还透露，公司NCM811材料的2.8Ah和3.0Ah圆柱形18650电池已经量产，并开始向相关整车厂商供货。
除了BIC和彭辉能源声称拥有量产能力外，国内部分电池企业宣布未来布局高镍811。郭萱高新年初宣布研发出能量密度为302瓦时/千克的三元811柔性电池单体。目前已开始建设相关产品的中试线，计划2021年建成生产线。此外，郭萱高新决定为福特和Zotye合资开发的首款车型提供三元622动力电池。
天津李绅是中国少数几家同时规划NCA和NCM航线的电池公司之一。李绅计划到2022年将乘用车单体电池的能量密度提高到350瓦时/千克。目前，天津李绅NCM811已小批量供货，NCA被列为企业长期计划。
比亚迪今年6月宣布，NCM811动力电池研发取得重大进展，将于2021年下半年投入使用。在与 长安汽车 成立动力电池合资公司的基础上，比亚迪将投资50亿元在重庆建设10GWh高镍811电池产能。
但部分企业对NCM811的技术路线持谨慎态度。作为中国第一大动力电池出货公司，有报道称当代安普瑞斯科技有限公司在2021年推出了高镍811电池，但官方拒绝对此报道置评。同时，在车企方面，奇瑞新能源也表示没有购买NCM811的计划，因为NCM811的技术成熟度和安全性还有待验证。
放眼全球市场，除了松下为 特斯拉 独家供应NCA电池外，以SK和LG化学为首的韩国企业在RD的进展并不顺利。今年年初，韩国 现代Kona EV搭载LG Chem NCM811柔性电池的纯电动SUV发布，双方同意在年内投放市场。2021年8月底，韩国SK宣布今年8月量产电动车用NCM811电池。然而，LG化学最近证实，今年将只为电动公交车生产圆柱形NCM811电池。SK确认将推迟推出用于电动汽车的NCM811电池。
专家:NCM811系统2022年后需要加强和商业化。
“目前制约NCM811量产的主要原因是工艺水平，其次还有一些技术瓶颈有待解决，高镍三元材料供应体系不完善。”2021年开始从事高镍三元材料研发的动力电池专家马俊峰认为，NCM811对制备工艺、设备和生产环境的要求极高，是限制NCM811规模化应用的主要因素；而且，NCM811对支撑高压电解液、隔膜等材料的要求远高于普通三元电池，同时对电池热管理等下游技术门槛较高，导致NCM811距离实际商用还有很大距离。
许多行业专家对此持有相对一致的观点。“NCM811系统需要验证。目前不具备商业运营能力。预计2022年后可以商用。”国家863重大电动汽车专用动力电池检测中心、中国北车研究院动力电池实验室主任王子东认为，就目前技术而言，高能量密度电池往往存在使用寿命低、安全性差等问题，需要在批量应用前解决。
在马俊峰看来，能量密度的单一提升是在牺牲动力电池其他性能的前提下进行的。即使松下为特斯拉提供了单节能量密度为300Wh/kg的21700NCA电池，其电池的循环寿命也没有达到目前主流三元材料电池的2000倍+的水平。
“当BIC在内部测试NCM811时，在不到1000次循环后，它会衰减到80%以下，这在早期研发中尤为常见。”自行车技术人员说。作为国内第一家量产NCM811电池的企业，BAK电池NCM811电池累计装机量已超过0.3GWh，占动力电池整体市场份额的1.3%。即使在RD和生产方面有一些成熟的经验，比克也无法避免牺牲电池一定循环寿命的负面影响。
" 江淮iEV7S 搭载bicncm811电池"
为了避免高比能量电池寿命降低的影响，各家车企采取了不同的措施。特斯拉通过将电池系统的容量提高到100千瓦时，降低了单个电池单体的单次放电深度，从而变相延长了动力电池的使用寿命。使用比克NCM811电池的江淮也表示只购买单体电池。"我们自主研发和应用电池组、电池管理系统和电池液冷等技术."JAC乘用车营销公司副总经理王光宇也告诉，目前JAC只有iEV7S和iEVA50两款车型使用比克NCM811电池。
除了循环寿命不理想外，NCM811电池的安全性也低于普通三元锂电池。“从材料性能来看，NCM811电池的寿命和过充安全性不如NCA电池，钴的使用量也高于NCA电池。”中国科学院物理研究所研究员黄说:“我对企业只有一个建议。不要跟风。”
“高镍三元材料的安全性可以通过材料改性、表面包覆、提高电压和调整阳极材料等方式来提高。NCM811的高比能、长循环寿命和高安全性可以同时存在，但目前在国内还达不到这个水平，三五年后可能会实现。”马俊峰为人爽快，无论是他之前团队生产的产品，还是目前NCM811产品在其他市场的应用，表现都是“一般”。
“即便是三星SDI、LG Chem等制造技术和质量控制水平先进的韩国公司，也宣布推迟NCM811电池的规模化生产和应用，可见技术路线仍不成熟。”
总结:NCM811作为目前动力电池领域能量密度最高、技术含量最高的路线，在政策和市场的双重作用下，成为国内众多电池公司的重点布局。然而，高比能和长循环寿命、高安全性，在不成熟的技术和材料等综合因素的作用下，仍然是相悖的。无论是业内专家还是新能源从业者，都没有人想打破中国新能源弯道超车的可能，但我们还是应该理性地看到，NCM811要想得到广泛应用，还有很长的路要走。
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