最近除了降價(jià)的特斯拉，還有一輛車(chē)也在網(wǎng)絡(luò)上討論的沸沸揚(yáng)揚(yáng)，那就是前兩天上市的廣汽新能源 Aion S 。這輛車(chē)最值得討論的就是：秦Pro EV 電池容量 56 千瓦時(shí)，綜合工況續(xù)航 420 公里，Aion S 58.8 千瓦時(shí)的電池容量卻能多出 90公里的續(xù)航？

當(dāng)然這個(gè)問(wèn)題涉及到很多方面的原因，比如風(fēng)阻系數(shù)、車(chē)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(gè)電池——寧德時(shí)代 NCM811 電池。

■ 什么是“NCM811”？

首先要說(shuō)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(shí)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(jiǎn)稱(chēng)。這種材料可以寫(xiě)成化學(xué)式 LiNixCoyMnzO2 ，其中 x+y+z=1。

而類(lèi)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(gè)問(wèn)題很好解釋?zhuān)阅壳暗那闆r來(lái)看，如果哪個(gè)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(gè)優(yōu)點(diǎn)中的一個(gè)，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(jià)。

■ 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(jià)格了呢？我們要先從鋰電池的充放電原理說(shuō)起。

首先。三元鋰電池的正極材料一般為鎳鈷錳酸鋰，負(fù)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?yàn)榘l(fā)生析鋰現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致電池失控，我們以后再說(shuō)）。

當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)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(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。

在這個(gè)過(guò)程中，鎳鈷錳 3 種元素的的主要價(jià)態(tài)分別是 +2 價(jià)、+3 價(jià)和 +4 價(jià)，而鎳和鈷作為活性物質(zhì)，在充放電時(shí)會(huì)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(shí)鎳從 +2價(jià)變成 +4價(jià)，鈷是從 +3價(jià)變?yōu)?+4價(jià)，錳和鋰不變化，下面舉一個(gè)鈷的例子，這個(gè)電池的正極材料是 LiCoO2。

鋰離子從 LiCoO2 中脫出并釋放一個(gè)電子，CO 得到這個(gè)電子，從三價(jià)被氧化成四價(jià)。

其實(shí) LiCoO2 一直是鋰電池的主導(dǎo)正極材料，但鈷毒性大，價(jià)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(dòng)，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?yàn)檫@種電池在技術(shù)上有幾個(gè)難點(diǎn)，我們挑幾個(gè)重點(diǎn)的講。

第一個(gè)是鎳占比的增大，會(huì)導(dǎo)致電池的熱穩(wěn)定性和容量損失，這個(gè)跟 NCM 正極結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過(guò)制備方法的改進(jìn)等方式來(lái)解決。原理在下面，比較復(fù)雜，我用三明治給大家打個(gè)比方講一講，有興趣的朋友可以看一看，不想看的請(qǐng)?zhí)较乱粋€(gè)問(wèn)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(gè)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(lái)講講容量保持率，這里涉及到一個(gè)概念：陽(yáng)離子混排，是導(dǎo)致電池容量衰減的重要因素。

理解陽(yáng)離子混排，首先要理解一個(gè)“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(gè)模型，這玩意長(zhǎng)這樣：

長(zhǎng)得很難懂……不過(guò)你可以簡(jiǎn)單理解為，這玩意是一個(gè)一個(gè)三明治拼起來(lái)的，第一層面包是個(gè)六邊形，第二層火腿是個(gè)三角形，第三層面包也是三角形，這么三層做成一個(gè)三明治。

有了這個(gè)模型，我們看看比較好理解的 LiCoO2，長(zhǎng)這樣：其中鋰離子、氧和鈷是交替充當(dāng)?shù)谝粚用姘⒌诙用姘突鹜鹊摹?/p>

然后我們把鈷換成三元材料就行了，就類(lèi)似于你把上面那個(gè)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?yàn)?+2 價(jià)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(huì)擠到鎳離子，造成陽(yáng)離子混排，又因?yàn)殒囯x子的半徑略小，會(huì)導(dǎo)致間晶片厚度變小（理解為三明治的每層厚度減?。?，并在充電時(shí)把 +2 價(jià)鎳離子氧化為 +3 價(jià)或 +4 價(jià)，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(yáng)離子混排的情況

而鋰離子擠到鎳離子的位置，因?yàn)殇囯x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(gè)問(wèn)題不是沒(méi)有解決方案的，使用更高級(jí)的正極材料制備技術(shù)就能減緩陽(yáng)離子混排，但技術(shù)和工藝的改進(jìn)絕不是一朝一夕就能完成的。

第二個(gè)原因是，高鎳電池最好搭配硅基負(fù)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(shí)現(xiàn)也存在很多技術(shù)問(wèn)題，下面以負(fù)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(fù)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(dá) 4.2Ah/g，直接暴增 13 倍。

▲ 硅負(fù)極材料

但是硅做負(fù)極又有一個(gè)大問(wèn)題，硅材料在充放電過(guò)程中體積變化太大，高達(dá) 3 倍以上。這是因?yàn)楣璨痪哂惺菢拥慕Y(jié)構(gòu)，它儲(chǔ)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(guò)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(guò)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(guò)程不能順利進(jìn)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(méi)處下口。

當(dāng)然這也是有解決手段的，比如說(shuō)碳化硅材料之類(lèi)的，我們?cè)谶@里提到就是想說(shuō)明一個(gè)問(wèn)題：與高鎳正極搭配的負(fù)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(wèn)題，我們就不細(xì)講了。

■ 邦點(diǎn)評(píng)

既然廣汽新能源在這個(gè)節(jié)點(diǎn)使用 NCM811 電池，想必對(duì)以上的技術(shù)和安全問(wèn)題都有了一套成熟的解決方案，并經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試和認(rèn)證才把 Aion S 推向市場(chǎng)。目前也不是只有寧德時(shí)代一家推 NCM811 電池，比亞迪早在 2018 年就放出消息說(shuō)今年會(huì)推 NCM811 電池，相信很多朋友都會(huì)以為是比亞迪率先開(kāi)啟高鎳的時(shí)代呢。

邦老師覺(jué)得大家也無(wú)需糾結(jié)或者質(zhì)疑電池的問(wèn)題，畢竟 NCM811 是未來(lái)的趨勢(shì)。喜歡嘗鮮的消費(fèi)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(wèn)題都可以問(wèn)邦老師哦，也歡迎各位技術(shù)大神指教~