當(dāng)升科技陳彥彬：高能量富鎳 NCM/NCA 鋰電正極材料開發(fā)進(jìn)展
圖為北京當(dāng)升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬在CBIS2018“鋰想”峰會(huì)上發(fā)表主題演講
戳此進(jìn)入峰會(huì)官方專題，了解更多會(huì)議信息：“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)
2018年11月8日，以“新時(shí)代·破而立：前行中的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)折之路”為主題的“鋰想”2018第三屆動(dòng)力電池應(yīng)用國(guó)際峰會(huì)(CBIS2018)在北京興基伯爾曼飯店開幕。北京當(dāng)升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬在峰會(huì)開幕式上發(fā)表主題演講，以下為主題演講內(nèi)容。
北京當(dāng)升材料科技股份有限公司副總經(jīng)理陳彥彬：
我這個(gè)報(bào)告椒關(guān)于高鎳材料的，高鎳材料現(xiàn)在正在風(fēng)口浪尖上，包括高鎳材料這方面的挑戰(zhàn)、對(duì)策和開發(fā)應(yīng)用的進(jìn)展。
第一部分，公司介紹。
當(dāng)升科技今年上半年融資了15億元，建設(shè)江蘇當(dāng)升的三期工程和常州工廠，產(chǎn)能從目前的1.6萬噸到2020年4.5噸—5萬噸左右，這樣可以解決我們產(chǎn)能瓶頸，因?yàn)檫@些年我們體驗(yàn)到什么叫供不應(yīng)求，其實(shí)也是挺痛苦的。
這是近幾年的變化，除了原來的三元鈷酸鋰，我們?cè)趪?guó)內(nèi)、國(guó)際有這么多優(yōu)質(zhì)客戶，這三大材料我們都是率先出口，尤其這兩年，我們?nèi)牧系某隹诹磕苷嫉街袊?guó)所有出口正極材料三元材料的40%左右，應(yīng)該算“一家獨(dú)大”，我們出貨量在國(guó)內(nèi)也是第一的位置。2015、2016、2017年?duì)I業(yè)收入分別達(dá)到8.6億元、13.3億元、21億元，今年上半年已經(jīng)達(dá)到16億元，同比增長(zhǎng)95%，今年年底的業(yè)績(jī)也是可期的。
關(guān)于挑戰(zhàn)。我們說原來電動(dòng)汽車電池成本很高，電池退役后用于做儲(chǔ)能、梯級(jí)利用，實(shí)際現(xiàn)在三元材料還有很大問題，磷酸鐵鋰可以用，但是三元材料電池還有很大問題。一方面，可能車用完再到梯級(jí)利用的時(shí)候，容量可能就迅速衰減為零了，或者退一步來講，容量稍微好一點(diǎn)的內(nèi)阻也會(huì)很大，或者電池的一致性會(huì)很差，新電池一致性很好，用了10萬公里以后可能一致性很差，所以梯級(jí)利用就變得很困難。也有一點(diǎn)原因，2014、2015年電池全是磷酸鐵鋰，能量密度標(biāo)準(zhǔn)提升后大家拿著數(shù)碼的三元材料和數(shù)碼的三元電池就裝到了車上，這應(yīng)該也是一方面的原因，隨著近幾年材料的進(jìn)步，可能再過三到五年退役的電池也許還可以梯次利用。
三元材料發(fā)展的方向，朝著高鎳化的方向沒錯(cuò)，但是走的多快，采用什么樣的節(jié)奏，取決于你自己，材料好不好、電池技術(shù)過不過硬。從現(xiàn)在圓柱電池來講，523到622到811，目前也是以523為主，可能有5%不到10%的電池從原來的622轉(zhuǎn)向811，這里面一個(gè)是鈷價(jià)的影響、一個(gè)是補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)的影響。但是軟包和方形電池，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在用622的非常少，韓國(guó)有622的應(yīng)用，韓國(guó)523、624的比例可能是6：4，中國(guó)523到622到811的比例，我想523可能在80%—85%或者更高，622和811占用剩下的10%—15%的市場(chǎng)。當(dāng)然提高能量密度，一個(gè)是提高鎳含量，一個(gè)是提高電壓。去年主要是6.2V的532，今年是6.3V的523。當(dāng)然材料還有做5和6之間的，6和7之間的，還有一些細(xì)分的材料，也會(huì)表現(xiàn)出一些特殊的性能。
第一個(gè)問題，高鎳材料產(chǎn)品的問題，藍(lán)色這條線是氫氧化鋰，紅色的是碳酸鋰，放一段時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)氫氧化鋰下降、碳酸鋰上升，如果折算成碳酸鋰就是綠線，很顯然氫氧化鋰轉(zhuǎn)化是不夠的。原因可以理解為三元材料在潮濕環(huán)境里面鋰不斷的出來，我們材料是干燥環(huán)境下生產(chǎn)出來的，結(jié)果生產(chǎn)時(shí)通過氣流輸送，因?yàn)槌榈臍饬看蟆⒀a(bǔ)的氣量小，可能把二氧化碳抽進(jìn)去，制漿的時(shí)候材料發(fā)生變質(zhì)。除了轉(zhuǎn)化還有一部分是殘余的，材料燒結(jié)的過程中多投入鋰，用不完，鋰和金屬1：1最合適的，就像為了米飯煮熟要多加水，水最后可能蒸發(fā)不掉可能還會(huì)有殘留的水，就是導(dǎo)致有殘留的鋰。這些殘留的鋰也會(huì)影響阻抗、影響容量、倍率的發(fā)揮，當(dāng)然也會(huì)影響機(jī)器產(chǎn)生故障，但是殘鋰高不是機(jī)器故障主要原因。主要原因是，不管是高鎳化還是提高電壓，鋰出來的越多氧化物越多，氧化物越多氧化性越強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致鼓脹等等，從表現(xiàn)缺陷等一系列過程進(jìn)行解決。
安全性，最右邊306度的黑色的線是333的，紅色的線是523的，高鎳化的熱分布越來越低、放熱量越來越大、越來越快，就有安全性的問題，組成和結(jié)構(gòu)是主要的因素，我們叫固有屬性，磷酸鐵鋰就比錳酸鋰安全，這是組成和結(jié)構(gòu)決定的。第二，既然選擇了三元，鎳的比例不同，也是組成和結(jié)構(gòu)的問題。第三個(gè)，雖然是523，充到不同的電壓下，SOC不同安全性也不同，首先取決于組成結(jié)構(gòu)。當(dāng)然外部的屬性，顆粒度、空隙率等也會(huì)對(duì)安全產(chǎn)生影響。我舉個(gè)例子，棉繩不容易燒著，棉線容易燒著，可能棉花一點(diǎn)就爆，外面的顆粒度也會(huì)有影響。下面我要提出一個(gè)問題，現(xiàn)在高鎳811說的很多，如果高電壓的622更好還是常壓的811哪個(gè)更安全？我聽到的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃都是以811為主的材料，811從4.2V滿充 點(diǎn)全性肯定很差，我們別滿，充電降SOC，降到60%、50%一下就會(huì)安全，不會(huì)發(fā)生熱失控，意味著50%的SOC容量降低了一半，可能容量還不如333，換句話來講，我可能622在6V是安全的，811降到4.8V可能還有很大的風(fēng)險(xiǎn)，所以容量811是200毫安時(shí)的容量降低只有100%，622、523在160—170毫安時(shí)/克期間，可能某種程度解決安全性問題來講，811是有很大的難度，可能要達(dá)到充放能量密度高電壓的523、622也許是一個(gè)可行的路徑，這是我自己的一個(gè)觀點(diǎn)。
再一個(gè)挑戰(zhàn)就是循環(huán)壽命。因?yàn)榫G色的線是811，充電過程中相變很劇烈，比如4.0V一上就會(huì)出現(xiàn)相變，不同相之間就有結(jié)構(gòu)匹配的問題，另外體積結(jié)構(gòu)變化，體積不斷的膨脹，收縮就會(huì)帶來顆粒的粉化，表面會(huì)產(chǎn)生孤島，會(huì)產(chǎn)生界面問題，間隙問題，影響容量、倍率、壽命、安全。
應(yīng)對(duì)的辦法是：第一，做結(jié)實(shí)一點(diǎn)，材料強(qiáng)度提高，原來下面是傳統(tǒng)的，無序的、雜亂的結(jié)構(gòu)，我們做這種發(fā)射狀的，這樣循環(huán)壽命就會(huì)好。第二，單晶化。下邊這圖，最后就粉化了，我們做單晶化，長(zhǎng)壽命循環(huán)顆粒還是比較完整的。所以我在想，也許我們真正未來能實(shí)現(xiàn)車的全生命周期比較好的利用，還能夠進(jìn)入儲(chǔ)能應(yīng)用的話，可能單晶材料會(huì)更有前途一些。我們下面產(chǎn)品從鎳50到55、60、70、83、88，都是已經(jīng)量產(chǎn)的或者完全終試的產(chǎn)品，這個(gè)是代表后邊產(chǎn)品發(fā)展的方向。
當(dāng)然要做這些有一些關(guān)鍵的技術(shù)，首先講前軀體，我們做研究的或者做過論文，一看文章做前軀體的研究很少，做材料的知道做前軀體很重要，像上釉前面的坯子，坯子做不好解決不了后面的問題，包括不同型號(hào)的控制解決壽命的問題、安全的問題、存儲(chǔ)的問題。摻雜也很重要，隨著高鎳化的燒結(jié)溫度越來越高，鎳含量越高溫度越低，有包覆的做法。原來是包覆在顆粒表面，現(xiàn)在顆粒內(nèi)部的界面進(jìn)行修飾，鎳一旦進(jìn)去以后，對(duì)界面要進(jìn)行修飾，這樣使它的性能優(yōu)進(jìn)一步提升。正極材料做車用，品質(zhì)很重要，裝備也很重要，自動(dòng)化的這種大產(chǎn)能的生產(chǎn)線，這個(gè)方面也是非常關(guān)鍵。
第三部分，我們產(chǎn)品的進(jìn)展。前兩列是數(shù)碼用的，好的1500多速率，第二個(gè)5Y3就是現(xiàn)在索尼的電池，用的戴森的掃地機(jī)器人、無塵吸塵器都是我們的材料，還有比克做圓柱電池，就是這樣的材料。右邊黃色是專門用電動(dòng)車和儲(chǔ)能做的電池，像5E12D、5EID，包括LG，包括明年日本的ASC，這個(gè)材料的量會(huì)非常大。5ES就是儲(chǔ)能，大家可能知道特斯拉原來有充電墻，現(xiàn)在還有充電站，用的就是我們的材料，我們的材料賣給三星、LG，做成電池賣給特斯拉，儲(chǔ)能用的。當(dāng)然也有車用的，國(guó)內(nèi)像比亞迪有一些在用。
622的材料，我們最早開發(fā)的6A和6E，最早北汽新能源用我們的6A的622材料，后面四個(gè)我們開發(fā)的第二代材料，是一系列的材料，我們把能量進(jìn)一步提高到186，還做了三個(gè)單晶，從標(biāo)準(zhǔn)的E60的185、E65的是192、E70的到198，這樣的單晶材料。
對(duì)標(biāo)韓國(guó)材料產(chǎn)品，我們的材料達(dá)到2.7、2.6，比他們更高，容量171、181，比他們更好一些。這是當(dāng)年SK電池測(cè)的數(shù)據(jù)，我們的電池可以做到4千多的壽命，韓國(guó)的只做到2千多壽命。
之后我們開發(fā)了鎳65的材料，6E剛剛講是標(biāo)準(zhǔn)的622。可以看到，鎳含量、鈷含量，我們鎳提高了5個(gè)分點(diǎn)、鈷降低了5個(gè)分點(diǎn)，除了提高容量可以降低成本。容量從181，大顆粒提高到185、小顆粒提高到192，最后摻混容量可以達(dá)到186。在不同電壓下，壽命保持通量的水準(zhǔn)，圓柱典型可能要么用523、要么用811，但是方形軟包電池可能會(huì)選擇鎳65、鎳70這樣的材料。我們也做了全電池，容量可以用標(biāo)準(zhǔn)比622高出6個(gè)毫安時(shí)，不同倍率下它的電壓曲線更高一下，放電電壓高意味著功率更高、能量密度更高，低溫性能也很好。
我們也在做單晶的622，和國(guó)內(nèi)的一款材料進(jìn)行對(duì)比，E50在4.5微米，殘檢水平差不多，單晶化大家最擔(dān)心的就是容量降低，我們標(biāo)準(zhǔn)的622是做了181，同行的產(chǎn)品做到180，我們做到186，一模一樣的組成。我們所有的放電曲線在放電的末尾阻抗比較小，比同行的材料表現(xiàn)明顯的優(yōu)勢(shì)，循環(huán)壽命倒沒有大的差異。這個(gè)基礎(chǔ)上我們又開發(fā)了鎳65和鎳70。可以看到，鎳從60、65到70，鈷相應(yīng)的降低，殘檢都可以控制在2千以下的水平，可以看到容量從186進(jìn)一步提升到191和198，比較有意思的就是，鈷在下降、鎳在上升，開路電壓都在上升，不光容量更高，開路電壓也更高，而且循環(huán)壽命也更好，當(dāng)然不說鎳含量越高壽命就更好，是因?yàn)槲覀冏龊竺娴牟牧嫌昧烁玫募夹g(shù)。我們也做了全電池的測(cè)試，可以看到全電池的壽命更好一些。
下面簡(jiǎn)單講一下811，我們有團(tuán)聚的、也有單晶的，兩個(gè)都是鎳83的，也有鎳88的，可以從210提高到215，我們團(tuán)聚的材料最早811，鎳的組成就是82、83，我們是8E2市場(chǎng)上主推的。可以看到容量，韓國(guó)的材料208，我們可以做到210。包括輸出電壓，都更有優(yōu)勢(shì)。循環(huán)壽命，藍(lán)色的線其實(shí)也更好一些。這是國(guó)內(nèi)客戶圓柱測(cè)試，0.2C容量達(dá)到接近200毫安時(shí)，1C容量可以達(dá)到190，壽命可以達(dá)到1500多，原來的523、622就是1千多的壽命，他這個(gè)可以做到1500多的壽命，說明材料的循環(huán)壽命還是可以的。這個(gè)基礎(chǔ)上我們也開發(fā)了單晶化，我們823有三個(gè)組成，鈷含量有11%、8%、6%，這個(gè)目的就是降鈷，雖然鎳含量一樣，要把鈷含量降下來，這個(gè)方面有很多的考慮，除了成本的考慮還有別的考慮，可以看到容量是差不多的水平，當(dāng)然鎳88可以做到215毫安時(shí)。這些材料都已經(jīng)做到中試，隨時(shí)都可以量產(chǎn)。剛才講了，鎳含量都是82，把鈷含量降下來，可以看到鋰化指標(biāo)并沒有什么差異。
可以看到0.1C容量210、211、211也是差不多的水平，1C容量，后邊兩個(gè)低鈷的材料容量也不差，甚至更好一些。充放電曲線可以看到，低鈷的材料電壓反倒更高，我們也做了不同倍率下，都是這樣一個(gè)規(guī)律，壽命是差不多的水平。包括我們測(cè)了循環(huán)過程中的DCR2，更穩(wěn)定，綠點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)就是低鈷的材料，可能過一段時(shí)間今后如果我們真做到高鎳化，再不怕鈷漲價(jià)了，可能真正做到高鎳受這個(gè)影響更大。我們也做了單晶的產(chǎn)品，容量可以做到215。我們也做了全電池，全電池可以看到，壽命藍(lán)色的線和綠色的線，比團(tuán)聚體有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括DCR，包括大家最怕的DCR上升快，可以看到這個(gè)材料非常穩(wěn)定。當(dāng)然低溫性差一些，可能需要從材料電解液方面做一些改進(jìn)。NCA我們也有產(chǎn)品，目前是中試階段，沒有量產(chǎn)原因是沒有客戶，國(guó)內(nèi)用這個(gè)材料的比較少。鎳88的NCA，對(duì)標(biāo)的是一款日本的材料，可以看到容量可以做到213，包括倍率特性充放電阻抗更小一些、循環(huán)壽命更好。
我講的就是這些，謝謝大家！
（根據(jù)嘉賓現(xiàn)場(chǎng)演講整理，未經(jīng)本人審閱）
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