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鎳在電池上的應用

動力電池被視為電動車的心臟,如何能提高續航、抗高低溫、充電速度快、具安全性、電池壽命可循環,並能符合成本考量,是重要的研發指標。

用於電動車的電池,以鋰電池主流,鋰電池又依「正極」使用的材料,分為「磷酸鐵鋰(LiFePO4,LFP)電池」和「三元電池」註釋。「三元電池」是使用「鎳鈷錳酸鋰註釋」的材料,以提昇儲能密度,希望提升續航里程。

鋰電池全名為鋰離子二次電池(Lithium Ion Secondary Battery)。「二次」表示可以重複充放電。

其主要結構為「正極」、「負極」、「電解質」及「隔離膜」四個部份;傳統「負極」以碳(如石墨)材料為主,避免正負極間短路的「隔離膜」為具有微孔性結構的材料,多以高分子量的聚乙烯和聚丙烯為主;「電解質」主要成份為鋰鹽。

「正極」為含鋰的材料。電池充電時,帶正電的鋰離子,從正極遷出,以電解質為介質,在電池內部,穿過隔離膜嵌入負極;放電時,帶負電的電子,經由外部的電路流向正極,產生電能,鋰離子則由負極脫出,以相反的方向,回到正極。

正極材料佔整體電池成本的28%左右,性能良好的正極材料,成為提昇鋰電池價性比的關鍵;而「磷酸鐵鋰(LiFePO4,LFP)電池」和「三元電池」的區別,就在「正極」材料。

【參考】

鎳的比例越高,儲能密度就越高。鎳酸鋰比例達到80%的高鎳三元電池「NCM-811註釋」在電池材料研發上備受期待,被期許在電動車電池的應用上能達成在短時間充電也能獲得較長距離公里數的續航力,並且能夠使電池綜合單位成本有下降的幅度。

然而,鎳的比例越高,卻會產生熱穩定的問題,多起電動車相關的起火爆炸的事故被指出與電池問題相關註釋,讓三元電池安全性被市場更嚴格的檢視。

「NCM-811」中的「811」,指鎳(N)、鈷(C)、錳(M)的比例。「NCM-523」的能量密度為190到210 Wh/kg、「NCM-622」為220到240Wh/kg,高於磷酸鐵鋰電池的140到150Wh/kg,而「NCM-811」可以達到300Wh/kg。

【參考】

幾間中國媒體提到,新能源汽車國家大數據聯盟發布的《新能源汽車國家監管平台大數據安全監管成果報告》顯示,自2019年5月起到8月,新能源汽車國家監管平台共發現79起安全事故,涉及車輛96輛。在已查明起火時車輛狀態中,41%的車輛處於行駛狀態、40%的車輛處於靜置狀態、19%的車輛處在充電狀態。而這些事故車輛其動力電池用三元鋰電池佔86%,磷酸鐵鋰電池佔7%。過往各種電動車爆炸起火的新聞,也使得動力電池的安全性,備受消費者檢視。

【參考】

2021年10月,特斯拉宣布基本車款 Model 3 和 Model Y 都將捨棄三元電池註釋,改用磷酸鐵鋰電池;比亞迪發展的刀片電池,也採用磷酸鐵鋰電池,2021年磷酸鐵鋰的裝機量首度超過三元電池。

2020年到2022年,中國汽車電池磷酸裡鐵電池(LFP)與三元電池的裝機量。

中國裝機量(MWh):三元電池vs磷酸鐵鋰電池

【參考】