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產業技術評析

四元鋰離子電池正極材料NCMA未來應用潛力
發表日期:2021-09-15
作者:陳雨筑(工研院)
摘要:
在2020年AABC研討會上,通用汽車發表了最新的下世代Ultium電池產品。以NCM鋰電池技術為主之通用模式,可提供軟包裝與方形電池兩種形狀,強調減少使用70%的鈷之下增加60%電池容量,並仍可保持電池的穩定性。此一新Ultium電池產品與韓國LG Chem共同開發,在開發前期,以平衡成本和性能目標作為研發重點,包含考量:高能量密度、功率/快充、安全、耐用性與生產率等因素,目前已在韓國梧倉進行研發量產,預計將使用於通用汽車旗下的Hammer悍馬電動車架構上。同時也規劃將與LGES共同出資投入在美國俄亥俄州興建30GWh電池生產製造工廠。估計未來通用汽車所推出的全新電動車款都將採用此一新Ultium電池產品所驅動的電動車平台來發展,令人期待。

全文:

一、NCMA被視為下一代車用電池正極材料有力選項
 

在2020年AABC(Advanced Automotive Battery Conference)研討會上,通用汽車(General Motors) 發表了最新的下世代Ultium電池產品。以NCM鋰電池技術為主之通用模式,可提供軟包裝與方形電池兩種形狀,強調減少使用70%的鈷之下增加60%電池容量,並仍可保持電池的穩定性。此一新Ultium電池產品與韓國LG Chem(LG Chem已更名為LG新能源,簡稱LGES)共同開發,在開發前期,以平衡成本和性能目標作為研發重點,包含考量:高能量密度、功率/快充、安全、耐用性與生產率等因素,目前已在韓國梧倉(Ochang, Korea)進行研發量產,預計將使用於通用汽車旗下的Hammer 悍馬電動車架構上。同時也規劃將與LGES共同出資投入在美國俄亥俄州興建30GWh電池生產製造工廠。估計未來通用汽車所推出的全新電動車款都將採用此一新Ultium電池產品所驅動的電動車平台來發展,令人期待。
 

圖1 ULTIUM 電池產品描述

資料來源:GM, 2020 AABC (2020/11)
圖1 ULTIUM 電池產品描述
 

二、NCMA鋰電池技術的材料與特性
 

通用汽車與LGES共同研發的Ultium電池產品所使用的NCMA電池材料技術並非橫空出世,其發展源自於為提升三元鋰電池NCA、NCM的電池技術開發,產業界因鈷資源有限,降低了NCM中70%鈷的金屬使用量,並提升90%的鎳含量。同時,在具有90%高鎳的NCM正極材料中加入鋁金屬成份,形成加入鋁之後與鎳的高能量密度作用下,達到有效提高電池續航力與穩定度等之特性。由於此一鋰電池之正極材料採用了四種金屬材料「鎳、鈷、錳、鋁」,故被稱為鎳鈷錳鋁(NCMA)電池。相關電池特性說明如下:
 

  • 正極材料的金屬含量比例:若以LGES研發的鋰電池技術,如NCM811與NCMA兩者所含之金屬材料相比,鈷所占的比例差距較為明顯。
表1 車用動力電池正極材料比例
  鎳(Ni) 鈷(Co) 錳(Mn) 鋁(Al)
NCM811 80% 10% 10% -
鎳鈷錳鋁(NCMA)電池 90% <70%以上 <5%以下 <5%以下

資料來源:工研院產科國際所 (2021/09)
 

  • 能量密度與成本:根據通用汽車資料顯示,LGES所開發的高鎳四元鋰電池(High Ni NCMA),其能量密度達到644 Wh/L,與使用低於70%鎳的NCM鋰電池相比,能量密度有效增加。僅管重量也增加至288 Wh/kg,但並未影響整體成本,反而有效降低,降低之幅度最高可達40%。
     
表2 通用汽車電池技術的能量密度與成本比較
  Bolt cell Ultium 1.0 cell  
Cell Ni <70%NCM Ni <70%NCM High Ni NCMA(LG)
Energy density
(Volumetric/Gravimetric)
526 Wh/L
252 Wh/kg
598 Wh/L
277 Wh/kg
644 Wh/L(+20%)
288 Wh/kg(+14%)
Cell Cost ($/kWh) Base ~20%
reduction from base
~40%
reduction from base

資料來源:International Battery Seminar & Exhibit Virtual,GM (2021/03)
 

  • 循環壽命與穩定性:從對NCM、NCA、NCMA等高鎳的核殼結構研究發現,NCMA對比既有的NCM和NCA在正極(Cathode)效能的發揮上,有著漸進式優化的特性。且在長時間1,000次循環測試後仍可保有85%的電池容量(圖2)。若以高溫45°C及循環充放電500個週期的測試下,NCMA的循環穩定性仍舊比NCM和NCA好,NCMA容量仍有82.6%,而NCM和NCA容量則為53.8%和50.1%。相較而言,NCMA在熱穩定性上亦有一定水準的表現。(圖3-e)
     

圖2 NCA89、NCM90和NCMA89材料性能差異比較

資料來源:ACS Energy Letters (2019/01)
圖2 NCA89、NCM90和NCMA89材料性能差異比較
 

圖3 NCA89、NCM90和NCMA89正極電化學性能比較

資料來源:ACS Energy Letters (2019/01)
圖3 NCA89、NCM90和NCMA89正極電化學性能比較
 

電解質的化學穩定性:將NCMA執行1,000個充放電週期後,如圖4,觀察正極在放電狀態時,相較於NCM或NCA,其粒子裂紋甚少或是有延緩形成的狀態(圖4-d,g),此種現象反而有助於保持鎳在正極粒子的完整性,降低電解質包覆正極材料顆粒的化學反應,因而達成穩定性的關鍵。
 

圖4 不同正極材料顆粒於循環充放電的反應

資料來源:ACS Energy Letters (2019/01)
圖4 不同正極材料顆粒於循環充放電的反應
 

圖5 LGES針對車用電池材料技術平台未來戰略

資料來源:LGES公司資料
圖5 LGES針對車用電池材料技術平台未來戰略
 

近期由LGES所公開的未來戰略(如圖5) 及通用汽車之公開資料,皆紛紛提出有關NCMA熱穩定性的說明。LGES的未來戰略圖提到:「NCMA 顯著改善能量密度和熱安全」。而通用汽車則是提出「LG NCMA 與傳統高鎳正極材料的高溫性能和熱穩定性的比較」:足見LGES與通用汽車對NCMA電池材料深具信心,認為能在提升能量密度需求之下,同時兼顧熱安全、熱穩定性。

  • 整體結構:高鎳NCM中添加金屬摻雜劑(Metal Dopant),提高了結構穩定性。
  • 減少氣體產生:溫度在60°C時,高鎳正極材料產生較少的Gas氣體排放量。
  • 安全:經由差示掃描量熱(Differential scanning calorimetry,DSC)測試分析後可發現,高鎳正極材料的安全性較為穩定。
  • 改善循環壽命:溫度在45°C時,高鎳正極材料電池芯仍維持一定的循環壽命。
     

圖6 高鎳NCMA材料結構與各性能優點

資料來源:International Battery Seminar & Exhibit Virtual,GM (2021/03)
圖6 高鎳NCMA材料結構與各性能優點
 

三、NCMA鋰電池技術的優點與缺點
 

綜觀上述NCMA鋰電池技術的材料與特性的優勢來看,使用NCMA 鋰電池技術對於整體電動車平台具有優化的效果,不論是在「循環壽命、效能、系統安全、成本、能量密度」上,實現了性能和成本降低的良好平衡,同時有效避免對鈷的依賴,達到低成本的優勢。而電動車一直訴求的循環壽命與安全性,也可藉由NCMA鋰電池技術來完成。深具競爭力的NCMA鋰電池技術,若能量產成功,將提高電動車市場的發展利益。
 

圖7 鋰電池技術系統之性能分析

資料來源:International Battery Seminar & Exhibit Virtual,GM (2021/03)
圖7 鋰電池技術系統之性能分析
 

但若就產業界在鋰電池技術的研發上,每加入一金屬元素,對於電池整體穩定性控制及後續量產技術來說,將可能大幅提升量產困難性。加上製造環境的需求也比三元鋰電池技術來的高,在設備的各項要求上都是考驗。生產成電池之後,導入電動車組裝時,在與其他組件的搭配上,也是考量點,例如BMS電池管理系統、熱失控處理、車載平台模組等可能都需要重新設計。通用汽車與LGES在公開場合提到,目前NCMA電池雖然做為其下一代技術平台主力,但在推廣到不同區域市場時,可能需要符合當地的規範與要求。才能將NCMA鋰電池技術進一步推廣到其他電動車主要市場。
 

四、小結:NCMA材料可望作為高鎳低鈷技術選項
 

有鑑於這一波NCMA鋰離子電池技術的商業化快速發展,除了LGES、通用汽車投入研發,並視其為下一代材料平台之外,在中國大陸方面,亦有格林美完成NCMA四元前驅體商用化開發,另容百科技也已送樣NCMA四元鋰離子正極材料給客户並將完成各項檢測。而寧德時代、比亞迪、TESLA、SKI、三星(Samsumg)和松下(Panasonic)等全球電動車供應鏈相關廠商,在此趨勢推動之下,已相繼投入高鎳低鈷、無鈷的研發與應用,NCMA正極材料勢必在未來需要與其他電池廠所推出的高鎳低鈷新產品在技術上與量產先後上競逐,預估將會有一番新景象。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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