最近除了降價的特斯拉，還有一輛車也在網(wǎng)絡(luò)上討論的沸沸揚揚，那就是前兩天上市的廣汽新能源 Aion S 。這輛車最值得討論的就是：秦Pro EV 電池容量 56 千瓦時，綜合工況續(xù)航 420 公里，Aion S 58.8 千瓦時的電池容量卻能多出 90公里的續(xù)航？
當(dāng)然這個問題涉及到很多方面的原因，比如風(fēng)阻系數(shù)、車身重量、電池、電驅(qū)系統(tǒng)等，今天我們就單純的聊聊 Aion S 這個電池——寧德時代 NCM811 電池。
■ 什么是“NCM811”？
首先要說明的是，NCM811 電池是我們熟悉的三元鋰電池的一種，我們知道三元鋰電池的正極材料是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料,里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實際需要調(diào)整，所以“811”表示的是鎳鈷錳的占比，也就是 8 成鎳，1 成鈷，1 成錳。而"NCM”是這三種元素的簡稱。這種材料可以寫成化學(xué)式 LiNixCoyMnzO2 ，其中 x+y+z=1。
而類似的還有 NCM523、NCM622 等電池，而目前很多廠家使用的都是 NCM532 電池
■ 為什么要用 NCM811 電池？
這個問題很好解釋，以目前的情況來看，如果哪個新能源相關(guān)的東西被大批廠家追捧，那么它肯定具有“便宜”、“能提升續(xù)航”這兩個優(yōu)點中的一個，或者是都有。NCM811 電池就屬于兩者都有的典型，鎳含量高能提升續(xù)航，鈷含量低能降低售價。
■ 先了解電池充放電的原理吧
本質(zhì)上 NCM811 是提升了鎳的含量并降低了鈷的含量，為什么這樣就能提升續(xù)航和降低價格了呢？我們要先從鋰電池的充放電原理說起。
首先。三元鋰電池的正極材料一般為鎳鈷錳酸鋰，負極材料一般為碳素材料，需要注意的是電池中不含“鋰單質(zhì)”，含的是“鋰離子”（有單質(zhì)鋰存在是因為發(fā)生析鋰現(xiàn)象，會導(dǎo)致電池失控，我們以后再說）。
當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當(dāng)對電池進行放電時，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。
在這個過程中，鎳鈷錳 3 種元素的的主要價態(tài)分別是 +2 價、+3 價和 +4 價，而鎳和鈷作為活性物質(zhì)，在充放電時會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，錳不參與化學(xué)反應(yīng)，能提供安全性和穩(wěn)定性。
具體變化是，充電時鎳從 +2價變成 +4價，鈷是從 +3價變?yōu)?+4價，錳和鋰不變化，下面舉一個鈷的例子，這個電池的正極材料是 LiCoO2。
鋰離子從 LiCoO2 中脫出并釋放一個電子，CO 得到這個電子，從三價被氧化成四價。
其實 LiCoO2 一直是鋰電池的主導(dǎo)正極材料，但鈷毒性大，價格貴，導(dǎo)致人們希望尋找代替品，于是鎳鈷錳酸鋰就出現(xiàn)了。
上面我們知道，鎳作為三元鋰電池的正極活性物質(zhì)參與化學(xué)反應(yīng)，也就是可以這么理解，鎳的含量越高，電池內(nèi)就能發(fā)生更多的化學(xué)反應(yīng)，使更多的鋰離子移動，從而獲得更大的電池容量。
■ 為什么都 9012 年了，才導(dǎo)入 NCM811 電池？
是因為這種電池在技術(shù)上有幾個難點，我們挑幾個重點的講。
第一個是鎳占比的增大，會導(dǎo)致電池的熱穩(wěn)定性和容量損失，這個跟 NCM 正極結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過制備方法的改進等方式來解決。原理在下面，比較復(fù)雜，我用三明治給大家打個比方講一講，有興趣的朋友可以看一看，不想看的請?zhí)较乱粋€問題的位置。
下面這張圖表示了不同 NCM 電池的放電容量、熱穩(wěn)定性和容量保持率的關(guān)系，可以看出，隨著鎳的占比增大，放電容量不斷提升，但另外兩個參數(shù)都是下降的。主要表現(xiàn)形式就是循環(huán)充放電的容量損失和高溫環(huán)境容量加速衰減。
先來講講容量保持率，這里涉及到一個概念：陽離子混排，是導(dǎo)致電池容量衰減的重要因素。
理解陽離子混排，首先要理解一個“α-NaFeO2 型層狀巖鹽結(jié)構(gòu)圖”的模型，我們上文提到的 LiCoO2、LiNixCoyMnzO2 的空間結(jié)構(gòu)都符合這個模型，這玩意長這樣：
長得很難懂……不過你可以簡單理解為，這玩意是一個一個三明治拼起來的，第一層面包是個六邊形，第二層火腿是個三角形，第三層面包也是三角形，這么三層做成一個三明治。
有了這個模型，我們看看比較好理解的 LiCoO2，長這樣：其中鋰離子、氧和鈷是交替充當(dāng)?shù)谝粚用姘?、第二層面包和火腿的?/p>
然后我們把鈷換成三元材料就行了，就類似于你把上面那個三明治中間夾的火腿換成牛肉西紅柿和洋蔥，換完了大致這樣：
因為 +2 價鎳離子（0.069 毫米）與鋰離子（0.072 毫米）的半徑非常接近，使得鎳離子很容易占據(jù)鋰離子的位置，鋰離子也會擠到鎳離子，造成陽離子混排，又因為鎳離子的半徑略小，會導(dǎo)致間晶片厚度變?。ɡ斫鉃槿髦蔚拿繉雍穸葴p?。⒃诔潆姇r把 +2 價鎳離子氧化為 +3 價或 +4 價，造成局部空間塌陷，增加了鋰離子的嵌入難度，自然影響容量。
▲ 左邊表示正常的鋰離子、鎳離子位置，右邊是發(fā)生了陽離子混排的情況
而鋰離子擠到鎳離子的位置，因為鋰離子半徑大于鎳離子，使得嵌入的鋰離子更難脫出。當(dāng)然這個問題不是沒有解決方案的，使用更高級的正極材料制備技術(shù)就能減緩陽離子混排，但技術(shù)和工藝的改進絕不是一朝一夕就能完成的。
第二個原因是，高鎳電池最好搭配硅基負極技術(shù)、高壓電解液、隔膜、熱管理系統(tǒng)等一系列材料或技術(shù)，而這些技術(shù)的實現(xiàn)也存在很多技術(shù)問題，下面以負極硅基材料為例講一下，看不懂原理的直接看三明治圖上面加粗的字就好。
鎳含量的提升導(dǎo)致電池容量增大，就必須配備更大容量的負極材料接收鋰離子，根據(jù)學(xué)術(shù)資料，石墨的理論嵌鋰容量為0.372Ah/g，而單質(zhì)硅能達 4.2Ah/g，直接暴增 13 倍。
▲ 硅負極材料
但是硅做負極又有一個大問題，硅材料在充放電過程中體積變化太大，高達 3 倍以上。這是因為硅不具有石墨那樣的結(jié)構(gòu)，它儲存鋰離子的方式是“發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”，而不是像石墨那樣嵌入。
在首次放電過程中，隨著電壓的下降，首先形成嵌鋰硅與未嵌鋰晶態(tài)硅兩相共存的核殼結(jié)構(gòu)。隨著嵌鋰深度的增加，鋰離子與內(nèi)部晶體硅反應(yīng)生成硅鋰合金，最終以 Li15Si4 的合金形式存在。這一過程中相比于原始狀態(tài)硅體積變大約 3 倍，巨大的體積效應(yīng)導(dǎo)致硅電極的結(jié)構(gòu)破壞，活性物質(zhì)與集流體活性物質(zhì)與活性物質(zhì)之間失去電接觸，鋰離子的脫嵌過程不能順利進行，造成巨大的不可逆容量。
行了我知道這段話你們懶得看，就理解成三明治加的肉蛋菜太豐富了把面包撐爆了吧……順便吐槽下賽百味，每次塞這么多我都沒處下口。
當(dāng)然這也是有解決手段的，比如說碳化硅材料之類的，我們在這里提到就是想說明一個問題：與高鎳正極搭配的負極技術(shù)也需要不斷的深入研究。
其他的諸如電解液、隔膜、熱管理的一系列技術(shù)問題，我們就不細講了。
■ 邦點評
既然廣汽新能源在這個節(jié)點使用 NCM811 電池，想必對以上的技術(shù)和安全問題都有了一套成熟的解決方案，并經(jīng)過嚴格的測試和認證才把 Aion S 推向市場。目前也不是只有寧德時代一家推 NCM811 電池，比亞迪早在 2018 年就放出消息說今年會推 NCM811 電池，相信很多朋友都會以為是比亞迪率先開啟高鎳的時代呢。
邦老師覺得大家也無需糾結(jié)或者質(zhì)疑電池的問題，畢竟 NCM811 是未來的趨勢。喜歡嘗鮮的消費者不妨試試，保守的朋友們大可觀察一陣子 NCM811 電池的后續(xù)表現(xiàn)和技術(shù)攻關(guān)，另外大家有什么不明白的問題都可以問邦老師哦，也歡迎各位技術(shù)大神指教~
