德克萨斯大学最新研究:NCM与NCA谁更适合电动汽车?
德克萨斯大学最新研究:NCM与NCA谁更适合电动汽车?
近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram教授团队在《Adv. Energy Mater.》上发表了一篇关于高镍三元正极材料NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)循环稳定性的对比研究。这项研究为电动汽车用锂离子电池的正极材料选择提供了重要参考。
NCM与NCA:基本特性与差异
NCM和NCA是两种主流的三元正极材料,它们的主要区别在于掺杂元素的不同。NCM由镍、钴、锰组成,常见的配比有NCM111、NCM523、NCM622和NCM811等。而NCA则是由镍、钴、铝构成,典型的配比为8:1.5:0.5。
两种材料都通过提高镍含量来提升能量密度。然而,NCA由于其较高的技术壁垒,目前主要由日本和韩国企业生产,如住友金属、日本化学产业株式会社和户田化学等。而NCM在中国的装车量更大,2017年达到15GWh,远高于NCA的286.5MWh。
循环稳定性对比:德克萨斯大学的研究发现
德克萨斯大学的研究团队通过充放电循环测试和多种表征手段,对NCM和NCA的化学稳定性、结构稳定性和机械稳定性进行了全面对比。研究发现:
容量保持率:在1500次充放电循环后,NCM的容量保持率为75%,而NCA为80%。这表明NCA在长期循环中的容量保持能力略优于NCM。
电荷转移阻抗:NCM的电荷转移阻抗明显高于NCA,这导致NCM在充放电过程中的电压极化更大,影响电池性能。
阳离子混排:NCM的阳离子混排程度高于NCA。经过1500次循环后,NCM中镍离子占据锂层位点的比例从2.9%增加到12.8%,而NCA从1.8%增加到9.1%。
机械稳定性:有趣的是,尽管NCM的循环稳定性略差,但其机械稳定性优于NCA。在长期循环中,NCM的二次颗粒破碎和粉化程度较小。
电动汽车应用:性能与安全的权衡
在电动汽车应用中,这两种材料各有优劣。NCA由于其更高的能量密度而受到青睐。例如,特斯拉与松下联合开发的21700 NCA电池,单体能量密度接近300Wh/kg,远高于NCM523的200Wh/kg和NCM811的250Wh/kg。
然而,NCA也存在一些挑战:
- 高镍材料在荷电状态下的热稳定性较差,需要进行系统安全设计
- 充放电过程中的产气问题可能导致电池鼓胀变形
- 对生产环境的湿度控制要求极高,需要全程控制在10%以下
相比之下,NCM虽然能量密度略低,但具有更好的热稳定性和成本优势。特别是NCM811,作为未来的重要发展方向,正在逐步克服技术难题。
未来发展方向:NCMA的潜力
为了结合NCM和NCA的优点,研究人员开始探索NCMA材料,即在NCM中掺入铝元素。研究表明,这种改性可以显著提升材料的循环稳定性和热稳定性。例如,韩国汉阳大学的研究显示,掺杂0.75mol%铝的NCM材料在3000次循环后仍能保持84%的初始容量,而未掺杂的材料仅为65.1%。
此外,铝掺杂还能抑制颗粒破碎,减少阳离子混排,提升材料的整体性能。这表明NCMA可能成为下一代高容量正极材料的有力竞争者。
结论
德克萨斯大学的研究为我们提供了关于NCM和NCA性能对比的深入见解。虽然NCA在能量密度和循环稳定性方面略胜一筹,但其较高的技术壁垒和安全性挑战不容忽视。随着电动汽车对续航里程和成本效益的双重需求,NCM和NCA各有适用场景。而新型NCMA材料的出现,为未来高性能电池的发展开辟了新的方向。