現(xiàn)代純電動(dòng)SUV采用的「NCM811電池」專利分析

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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(lái)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(guó)出臺(tái)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(lái)政策補(bǔ)貼考核的方向”，這些利好消息極大地調(diào)動(dòng)了國(guó)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(dòng)SUV采用的NCM811電池有哪些性能優(yōu)勢(shì)？

國(guó)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(chǎng)新寵

在前不久舉辦的素有“國(guó)際汽車潮流風(fēng)向標(biāo)”之稱的日內(nèi)瓦車展上，韓國(guó)的現(xiàn)代汽車正式展出了一款純電動(dòng)SUV汽車——Kona EV，該車型將提供短續(xù)航和長(zhǎng)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(duì)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(guó)出臺(tái)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(lái)政策補(bǔ)貼考核的方向”，這些利好消息極大地調(diào)動(dòng)了國(guó)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L(zhǎng)iNi0.8Co0.1Mn0.1O2。該材料是近年來(lái)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(chǎng)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(shì)顯而易見（比較情況見下表）：

表1 幾類典型鋰離子電池正極材料性能比較

數(shù)據(jù)來(lái)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(shì)，NCM811被認(rèn)為是下一代動(dòng)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(dòng)汽車也印證了這一點(diǎn)。  

二、市場(chǎng)大，產(chǎn)量小——國(guó)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(guò)當(dāng)時(shí)的NCM811材料主要是用于小型電動(dòng)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)?；a(chǎn)才剛剛起步。

目前，我國(guó)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(huì)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(cè)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(chǎng)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(wàn)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(huì)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(shuō)高鎳三元產(chǎn)品正在通過(guò)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(guó)際大客戶批量提供NCM811。

從以上信息可以看出，市場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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：

圖1  NCM811歷年專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

數(shù)據(jù)來(lái)源：方象知產(chǎn)研究院整理

圖2  NCM811技術(shù)生命周期

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圖1是NCM811歷年專利申請(qǐng)量趨勢(shì)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(guò)較長(zhǎng)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(qǐng)者的數(shù)量穩(wěn)步增加，申請(qǐng)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(qǐng)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(huì)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(duì)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(yáng)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(yáng)離子、多種陰離子或者陰陽(yáng)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?cè)趯＠暾?qǐng)方面的情況卻大不相同，見下圖：

圖3  幾種改性方法的專利申請(qǐng)量對(duì)比

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圖4  幾種改性方法的歷年專利申請(qǐng)量趨勢(shì)

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從圖3的幾種改性方法的專利申請(qǐng)量對(duì)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(qǐng)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(qǐng)量都非常大，尤其是摻雜改性的申請(qǐng)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(qǐng)量趨勢(shì)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(qǐng)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(qǐng)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(duì)簡(jiǎn)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(qǐng)量不大。不過(guò)，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(chǎng)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(huì)有更大的性能改進(jìn)優(yōu)勢(shì)。

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供稿：方象知產(chǎn)研究院

編輯：IPRdaily趙珍          校對(duì)：IPRdaily縱橫君

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