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現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

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豆豆7年前
現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

#本文由作者授權(quán)發(fā)布,未經(jīng)作者許可,禁止轉(zhuǎn)載,文章不代表IPRdaily立場#


發(fā)布:IPRdaily中文網(wǎng)(IPRdaily.cn)

作者: 方象知產(chǎn)研究院

原標(biāo)題:新一代鋰離子電池三元正極材料NCM811及其改性方法的專利分析


NCM811是一種高鎳的新型鋰離子電池材料——三元鎳鈷錳(NCM)的正極材料,該材料是近年來開發(fā)出的一類新型鋰離子電池正極材料,具有能量密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本適中等優(yōu)點(diǎn)。加上2018年我國出臺的《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》里面進(jìn)一步明確,“高續(xù)航里程和高能量密度的新能源汽車是未來政策補(bǔ)貼考核的方向”,這些利好消息極大地調(diào)動了國內(nèi)關(guān)注NCM811或已經(jīng)開始布局NCM811電極材料生產(chǎn)廠家的積極性。


內(nèi)容提要:

現(xiàn)代純電動SUV采用的NCM811電池有哪些性能優(yōu)勢?

國內(nèi)NCM811生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀;

專利分析視角下NCM811電池的制備和改性研究。


一、高性能,低成本——NCM811成新一代型鋰離子電池市場新寵


在前不久舉辦的素有“國際汽車潮流風(fēng)向標(biāo)”之稱的日內(nèi)瓦車展上,韓國的現(xiàn)代汽車正式展出了一款純電動SUV汽車——Kona EV,該車型將提供短續(xù)航和長續(xù)航兩個(gè)版本,最大功率分別可達(dá)到99kW和150kW,續(xù)航里程分別可達(dá)到300公里和470公里,對應(yīng)的電池包容量分別為39.2kwh和64kwh。新車預(yù)計(jì)在2019年正式上市銷售,售價(jià)將低于4W美元。


據(jù)悉, Kona EV 的電池由LG化學(xué)提供,采用的是NCM811(也稱NMC811)聚合物鋰離子電池,這也是首款搭載NCM811電芯的新能源汽車。


這一信息的出現(xiàn),再加上2018年我國出臺的《關(guān)于調(diào)整完善新能源汽車推廣應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)貼政策的通知》里面進(jìn)一步明確,“高續(xù)航里程和高能量密度的新能源汽車是未來政策補(bǔ)貼考核的方向”,這些利好消息極大地調(diào)動了國內(nèi)關(guān)注NCM811或已經(jīng)開始布局NCM811電極材料生產(chǎn)廠家的積極性。


NCM811是一種高鎳的新型鋰離子電池材料——三元鎳鈷錳(NCM)的正極材料,其化學(xué)式為LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2。該材料是近年來開發(fā)出的一類新型鋰離子電池正極材料,具有能量密度高、循環(huán)穩(wěn)定性好、成本適中等優(yōu)點(diǎn),與目前市場上常見的幾種鋰離子電池正極材料相比,其在性能方面的優(yōu)勢顯而易見(比較情況見下表):


現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

表1 幾類典型鋰離子電池正極材料性能比較

數(shù)據(jù)來源:方象知產(chǎn)研究院整理


從表中可以看出,三元鎳鈷錳正極材料(NCM)綜合了LiCoO2、LiNiO2和LiMnO2三種層狀材料的優(yōu)點(diǎn);由于Ni 、Co和Mn之間存在明顯的協(xié)同效應(yīng),所以NCM的性能要好于單一組分的層狀正極材料;同時(shí)NCM又比LiFePO4有更高的比容量,這也是NCM被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的新型正極材料之一的重要原因。


鎳鈷錳三元材料本身也是一個(gè)大“家族”,根據(jù)Ni、Co、Mn之間的比例不同,又分支出一系列的材料,如NCM111(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、 NCM433(LiNi0.4Co0.3Mn0.3O2)、NCM424(LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2)、NCM523(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)、NCM622(LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2)、NCM811等。與其它幾種鎳鈷錳三元正極材料相比, NCM811的鎳鈷錳比例為8:1:1,鎳的比例進(jìn)一步提高,電池的能量密度更高(最高可達(dá)280mAh/g),電池的性能也相應(yīng)提高,而成本卻相應(yīng)降低等等。正是憑借這些優(yōu)勢,NCM811被認(rèn)為是下一代動力電池的重要發(fā)展方向,而現(xiàn)代推出的Kona EV最新純電動汽車也印證了這一點(diǎn)。  


二、市場大,產(chǎn)量小——國內(nèi)生產(chǎn)商積極擴(kuò)大NCM811生產(chǎn)線


其實(shí),此前已經(jīng)有企業(yè)嘗試生產(chǎn)NCM811材料,不過當(dāng)時(shí)的NCM811材料主要是用于小型電動工具,所以產(chǎn)量不大。雖然不少電極材料生產(chǎn)廠家早就希望NCM811材料真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),但事實(shí)上真正的規(guī)模化生產(chǎn)才剛剛起步。


目前,我國主要的幾個(gè)NCM811制造廠家的具體生產(chǎn)情況如下:


杉杉能源:在去年底宣布月產(chǎn)100噸的寧鄉(xiāng)基地高鎳產(chǎn)線順利投產(chǎn)(據(jù)悉就是生產(chǎn)NCM811材料),以及寧夏石嘴山基地三元622/811“交鑰匙工程”年產(chǎn)7200噸,按照當(dāng)時(shí)公布的信息,該共用生產(chǎn)線應(yīng)在今年3月達(dá)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力。


容百鋰電:在今年一月份的戰(zhàn)略發(fā)布會上,該企業(yè)宣布其在高鎳811產(chǎn)品上取得了突破性的進(jìn)展,由2016年小規(guī)模量產(chǎn)的出貨量躍升至2017年全球出貨量第一。另有預(yù)測其在2018年的NCM811+NCA的月銷量將達(dá)800-1800噸。


當(dāng)升科技:因?yàn)镹CM811的概念,該企業(yè)這幾年在資本市場獲得了極大的關(guān)注,吸引了三倍投資進(jìn)行生產(chǎn)擴(kuò)建,但綜合各方面的信息發(fā)現(xiàn),直到今年二月份,才有消息顯示其NCM811產(chǎn)品開始批量生產(chǎn);另外當(dāng)升科技表示,今年將新增4,000噸/年的高鎳多元材料產(chǎn)能,三期工程計(jì)劃1.8萬噸/年高鎳多元材料產(chǎn)能,將于2018年至2020年間陸續(xù)建成投產(chǎn)。


億緯鋰能:該企業(yè)自從2012年起就開始推廣非車用NCM811及NCA,至今已經(jīng)有接近6年的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。


格林美:早前,該企業(yè)曾表示,會在2017年推出811型、NCA等高鎳產(chǎn)品,但直到今年4月,該企業(yè)在某論壇的回復(fù)中還只是說高鎳三元產(chǎn)品正在通過主流客戶的論證和批量使用。


天津巴莫:據(jù)公開信息顯示,該企業(yè)2017年年產(chǎn)5000噸高鎳材料的生產(chǎn)線投產(chǎn),目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)向國際大客戶批量提供NCM811。


從以上信息可以看出,市場對NCM811的期望值很高,需求量很大,而由于目前量產(chǎn)NCM811的企業(yè)并不多,所以市場整體仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)。


三、方法多,空間大——新型改性技術(shù)值得開發(fā)


NCM811真正實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),與其制備生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān),下面我們就從專利角度分析一下NCM811的制備生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展情況:


現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

圖1  NCM811歷年專利申請量趨勢

數(shù)據(jù)來源:方象知產(chǎn)研究院整理


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圖2  NCM811技術(shù)生命周期

數(shù)據(jù)來源:方象知產(chǎn)研究院整理


圖1是NCM811歷年專利申請量趨勢變化圖,圖2是NCM811技術(shù)生命周期圖,從這兩個(gè)圖可以看出,NCM811材料的發(fā)展在經(jīng)過較長的技術(shù)萌芽期之后,在2004年進(jìn)入了快速發(fā)展期,專利申請者的數(shù)量穩(wěn)步增加,申請的專利數(shù)量也有了大幅度的提高,在2017年達(dá)到了新高度。分析認(rèn)為,這極有可能是NCM811材料本身的制備生產(chǎn)工藝獲或相關(guān)電池制造技術(shù)上的突破,吸引了更多專利申請者加入該技術(shù)的研發(fā)行列。


NCM811的制備生產(chǎn)工藝總體而言已經(jīng)比較成熟,一般采用的是共沉淀+固相燒結(jié)法,也有的會采取比如溶膠凝膠法、模板法、熱聚合法、離子交換法、或者微波超聲波輔助法等方法。


雖然高純度的NCM811材料已經(jīng)有很多優(yōu)點(diǎn),但其在穩(wěn)定性和安全性等方面依然存在不足,因此還需要對NCM811進(jìn)行改性,進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能。


NCM811的改性方法是在借鑒了其它類似電極材料的改性方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了以“摻雜”和“涂覆”為主的改性方法。


“摻雜”是指,在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2晶格中摻入微量的其它元素,以提高材料的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率,并增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,從而達(dá)到改善材料電化學(xué)性能的目的。主要包括陽離子摻雜(如Na、V、Ti、Mg、Al、Cr等)、陰離子摻雜(如B、F、Si等)和多種離子摻雜(多種陽離子、多種陰離子或者陰陽離子共同摻雜)。


“涂覆”是指,在LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2離子的表面直接生成別的物質(zhì)以隔離活性物質(zhì)與電池電解液,從而減少副反應(yīng)的發(fā)生,或者增加機(jī)械強(qiáng)度和提高導(dǎo)電能力,最終達(dá)到改善材料性能的目的。主要包括金屬氧化物包覆、金屬氟化物包覆、鋰鹽包覆、碳納米管包覆、石墨烯包覆等。


作為新的三元電極材料改性方法,核-殼結(jié)構(gòu)(納米尺度的包覆)、梯度濃度材料(形成多重包覆以讓Ni或其它元素的含量從內(nèi)到外形成濃度梯度)和導(dǎo)電聚合物改性(復(fù)合或涂覆)可以算做特殊的包覆改性。雖然同為包覆改性方法,但它們在專利申請方面的情況卻大不相同,見下圖:


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圖3  幾種改性方法的專利申請量對比

數(shù)據(jù)來源:方象知產(chǎn)研究院整理


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圖4  幾種改性方法的歷年專利申請量趨勢

數(shù)據(jù)來源:方象知產(chǎn)研究院整理


從圖3的幾種改性方法的專利申請量對比中可以看出,核-殼結(jié)構(gòu)、梯度濃度材料和導(dǎo)電聚合物改性的專利申請量都比較少,特別是導(dǎo)電聚合物改性只有區(qū)區(qū)幾篇之?dāng)?shù),而摻雜改性和涂覆改性的專利申請量都非常大,尤其是摻雜改性的申請量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它幾種改性方法。


從圖4的幾種改性方法的歷年專利申請量趨勢中可以看出,摻雜和涂覆改性的方法開始得比較早,發(fā)展也更成熟;而涂覆的專利申請量在經(jīng)歷了持續(xù)上升之后,在2015年左右進(jìn)入下滑期;而同一時(shí)期,摻雜的專利申請量卻在下滑之后再攀高峰。分析認(rèn)為,這些變化的出現(xiàn),與摻雜元素的選擇范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,以及摻雜改性的工藝條件相對簡單(在純NCM811制備的基礎(chǔ)上可以不用增加額外工藝),易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)有密切關(guān)系。


從以上兩個(gè)圖還可以看出,核-殼結(jié)構(gòu)、梯度濃度材料和導(dǎo)電聚合物改性的方法起步較晚,專利申請量不大。不過,由于這幾種方法還處于技術(shù)發(fā)展期,加之這幾種材料的制備方法在其他領(lǐng)域的材料研究中已經(jīng)逐漸成熟,因此如果將這幾種改性方法建立在NCM811的材料發(fā)展的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入研究,不但可以使NCM811材料的性能有較大的突破,還有望獲得更多的市場份額。


特別是導(dǎo)電聚合物,它既具有不同于一般有機(jī)物的導(dǎo)電性,又作為有機(jī)高分子成分,在鋰離子電池的電解液或者聚合物電解質(zhì)體系中,可能會有更大的性能改進(jìn)優(yōu)勢。



發(fā)布:IPRdaily中文網(wǎng)(IPRdaily.cn)

供稿:方象知產(chǎn)研究院

編輯:IPRdaily趙珍          校對:IPRdaily縱橫君


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