現(xiàn)代純電動SUV采用的「NCM811電池」專利分析

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作者： 方象知產研究院

原標題：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。加上2018年我國出臺的《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》里面進一步明確，“高續(xù)航里程和高能量密度的新能源汽車是未來政策補貼考核的方向”，這些利好消息極大地調動了國內關注NCM811或已經開始布局NCM811電極材料生產廠家的積極性。

內容提要：

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

國內NCM811生產企業(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“國際汽車潮流風向標”之稱的日內瓦車展上，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)航兩個版本，最大功率分別可達到99kW和150kW，續(xù)航里程分別可達到300公里和470公里，對應的電池包容量分別為39.2kwh和64kwh。新車預計在2019年正式上市銷售，售價將低于4W美元。

據(jù)悉， Kona EV 的電池由LG化學提供，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《關于調整完善新能源汽車推廣應用財政補貼政策的通知》里面進一步明確，“高續(xù)航里程和高能量密度的新能源汽車是未來政策補貼考核的方向”，這些利好消息極大地調動了國內關注NCM811或已經開始布局NCM811電極材料生產廠家的積極性。

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，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）：

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；由于Ni 、Co和Mn之間存在明顯的協(xié)同效應，所以NCM的性能要好于單一組分的層狀正極材料；同時NCM又比LiFePO4有更高的比容量，這也是NCM被認為是最有應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，鎳的比例進一步提高，電池的能量密度更高（最高可達280mAh/g），電池的性能也相應提高，而成本卻相應降低等等。正是憑借這些優(yōu)勢，NCM811被認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。  

二、市場大，產量小——國內生產商積極擴大NCM811生產線

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

目前，我國主要的幾個NCM811制造廠家的具體生產情況如下：

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

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產品上取得了突破性的進展，由2016年小規(guī)模量產的出貨量躍升至2017年全球出貨量第一。另有預測其在2018年的NCM811+NCA的月銷量將達800-1800噸。

當升科技：因為NCM811的概念，該企業(yè)這幾年在資本市場獲得了極大的關注，吸引了三倍投資進行生產擴建，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產品開始批量生產；另外當升科技表示，今年將新增4,000噸/年的高鎳多元材料產能，三期工程計劃1.8萬噸/年高鎳多元材料產能，將于2018年至2020年間陸續(xù)建成投產。

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

格林美：早前，該企業(yè)曾表示，會在2017年推出811型、NCA等高鎳產品，但直到今年4月，該企業(yè)在某論壇的回復中還只是說高鎳三元產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5000噸高鎳材料的生產線投產，目前已經實現(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NCM811的企業(yè)并不多，所以市場整體仍處于供不應求的狀態(tài)。

三、方法多，空間大——新型改性技術值得開發(fā)

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

圖1  NCM811歷年專利申請量趨勢

數(shù)據(jù)來源：方象知產研究院整理

圖2  NCM811技術生命周期

數(shù)據(jù)來源：方象知產研究院整理

圖1是NCM811歷年專利申請量趨勢變化圖，圖2是NCM811技術生命周期圖，從這兩個圖可以看出，NCM811材料的發(fā)展在經過較長的技術萌芽期之后，在2004年進入了快速發(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年達到了新高度。分析認為，這極有可能是NCM811材料本身的制備生產工藝獲或相關電池制造技術上的突破，吸引了更多專利申請者加入該技術的研發(fā)行列。

NCM811的制備生產工藝總體而言已經比較成熟，一般采用的是共沉淀+固相燒結法，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材料已經有很多優(yōu)點，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進行改性，進一步提高其電化學性能。

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率和離子電導率，并增加結構穩(wěn)定性，從而達到改善材料電化學性能的目的。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以隔離活性物質與電池電解液，從而減少副反應的發(fā)生，或者增加機械強度和提高導電能力，最終達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-殼結構（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到外形成濃度梯度）和導電聚合物改性（復合或涂覆）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：

圖3  幾種改性方法的專利申請量對比

數(shù)據(jù)來源：方象知產研究院整理

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-殼結構、梯度濃度材料和導電聚合物改性的專利申請量都比較少，特別是導電聚合物改性只有區(qū)區(qū)幾篇之數(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遠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歷了持續(xù)上升之后，在2015年左右進入下滑期；而同一時期，摻雜的專利申請量卻在下滑之后再攀高峰。分析認為，這些變化的出現(xiàn)，與摻雜元素的選擇范圍進一步擴大，以及摻雜改性的工藝條件相對簡單（在純NCM811制備的基礎上可以不用增加額外工藝），易于工業(yè)實現(xiàn)有密切關系。

從以上兩個圖還可以看出，核-殼結構、梯度濃度材料和導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發(fā)展期，加之這幾種材料的制備方法在其他領域的材料研究中已經逐漸成熟，因此如果將這幾種改性方法建立在NCM811的材料發(fā)展的基礎上進行深入研究，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。

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

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供稿：方象知產研究院

編輯：IPRdaily趙珍          校對：IPRdaily縱橫君

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