比三元貴一元？四元鋰電池是電動車的解藥or毒藥？

車上的“三元”還沒捂熱，就説“四元”要來了。

最近關於四元鋰電池的一則新聞引起了汽車圈內人士的熱議，事情是這樣子的，LG化學在不久前發佈了一則消息，説自家的四元鋰電池已被成功研發，最快今年內即可量產並裝車使用。

報道一出，行內對於這新玩意的評價還有有些呈兩極化分佈的，支持的人認為這是電動車的一劑良藥，能改善三元鋰電池的一些缺陷，降低電池成本；對此事不感興趣的一方則表示，四元鋰電池不過是技術過渡產品，對影響整個電動車市場幫助不大。

公説公有理，婆説婆有理。

究竟事實如何？我們暫未可知，畢竟電池仍未量產。但相信有不少小夥伴對這新物種還是蠻感興趣的，今天電哥就先從技術原理上給大夥分析分析，這比三元多了一元的四元鋰電池到底是什麼？有什麼特長？是否能成為主流？

（三元）鋰電池的原理

在介紹新玩意之前，還是按照慣例給大夥複習一下鋰電池和三元鋰電池的工作原理，別看很簡單，要記着，下面要考的。

鋰電池：

汽車上用到的動力電池，更準確的話應該被稱作鋰離子電池，鋰元素在元素週期表中排名前列（第三），原子質量小，反應活潑，在電池放電時，鋰離子擺脱正極束縛奔向負極，負極中的電子則流向正極，然後就形成電流。

而三元鋰電池就是將上面這段話裏面的“正極”替換成三種金屬材料，我們常説的“三元”通常指的是鎳（Ni）、鈷（Co）和錳（Mn）組成的複合材料（也有用鎳鈷鋁組成的NCA電池）。根據三種材料組合比例的不同，常見的三元鋰電池（NCM）分為幾種型號，包括NCM532、NCM622和NCM811……

在這其中，三種材料其實有“明確的分工”，鎳負責提高材料活性，説白了它的含量越高電池能擁有越高的能量密度；鈷雖然也有提升材料活性作用，但還能穩定材料的層狀結構，減少陽離子混排；錳在材料中則起到了支撐作用，它的存在可以提升電池的穩定性。

我們都知道，目前電動車最需要的是提升續航，改善續航焦慮，那提升續航最直接的辦法就是提高鎳元素的含量比例，NCM811電池被原來越多的廠商所青睞，但強行降低鈷和錳的含量，電池的穩定性自然就更難控制了。

從NCM/NCA到NCMA

當你瞭解了三元鋰電池是什麼一個概念之後，那麼四元鋰電池就很好理解了，你可以簡單地將NCM和NCA兩種電池的優勢混合於一體，組合而成的NCMA電池。

想要理解NCMA，那肯定得先來了解NCA/NCM電池自身存在的一些問題。

其實NCA/NCM電池已經是萬中選一的優秀方案，較高的可變容量、長循環週期和高工作電壓，讓它能適應多種工作場景。不過這在電動車上還不夠，我們需要電池擁有更高的能量密度，從而獲得更長的續航里程，怎麼做，如上文所言，提升鎳元素的比例。

就這樣，鎳含量在電池中佔的比例越來越高，鎳含量在不斷地增加，但是過量的鎳富集會導致材料的容量保持率下降和熱穩定性惡化，説人話就是電池電量容易衰減，還有更容易發生燃燒、爆炸等安全事故。

為了消除高鎳帶來的負面影響，科學家想到的是在超高鎳含量電池中加入摻雜劑，同時降低高價值稀有金屬鈷的含量，提高電池容量的同時，還能降低成本，一舉多得。

四元鋰電池的原理

LG的四元鋰電池目前仍未量產，廠家也還沒有公佈更多關於這款電池的更詳細的信息參數，但經過電哥順藤摸瓜，翻查文獻記錄，這項研究最早源於韓國漢陽大學能源工程系Yang-Kook Sun教授研究團隊聯合德國能源與氣候研究所的Chong S. Yoon一個科研成果，未來LG量產後的電池應該也和這項成果有着密切的關係。

（只想瞭解NCMA優點的看官請直接翻到下一章節查看）

這項研究是這樣子的：

當團隊將鋰離子電池中的鎳含量提升至90%左右的水平時，發現電池容量雖然上升了，但結構穩定性下降，電池多次循環後，電池容量下降嚴重，間接共沉澱法成功製備了Li[Ni0.90Co0.05Mn0. 05]O2（NCM90），Li[Ni0.888Co0.097Al0.015]O2 （NCA89）和混合型材料Li[Ni0.89Co0.05Mn0.05Al0.01]O2 （NCMA89）三種材料，在經過1%的鋁摻雜後，NCMA89材料的熱穩定性和化學穩定性得到了很大的改善。

成績如下：

實驗團隊將三種電池進行多次循環充電測試，在半電池測試中，在相同的測試條件下經過100 圈的充放電循環後NCMA89， NCM90和NCA89的容量保持率分別為90.6%，87.7%和83.7%；在全電池的測試過程中，在25 ℃，3.0-4.2 V，1 C下，1000次充放電循環後NCMA89，NCM90和NCA89的容量保持率分別為84.5%，68.0%和60.2%。不管是半電池還是全電池的測試中，NCMA89電池成績都是碾壓級的存在。

NCA89，NCM90和NCMA89材料的電化學性能對比

這一切一切的功勞都要歸功於鋁離子的作用，鋁離子能夠增強材料晶體結構的穩定性，從而能夠阻止材料在充放電過程中微裂紋的產生及擴散。

道理是這樣子的，其實電池內部的充放電都是源於鋰離子在電解液運動的功勞，但長時間工作後，電解質會讓電池正極上的材料邊沿出現微裂紋，而且這種微裂紋會不斷擴散，導致材料結構發生機械破壞，電池的電化學性能便會出現明顯衰減。

（a、b、c）NCA89，NCM90和NCMA89材料循環100周後的STEM；

（d、e）NCA89和NCMA89材料循環100周後表面初級顆粒的HRTEM；

（f）NCA89初級顆粒中心區域的HRTEM。

而在NCA或者NCM電池中加入金屬離子，以提高結構穩定性。在各種摻雜金屬中，鋁是最廣泛使用的摻雜劑，因為它在主體層狀結構中起着穩定晶體結構的作用。此外，由於Al-O鍵的強度比M-O鍵的強度更高，有助於提高材料的熱穩定性。

到底好在哪？

説了那麼多，好像還是比較難以理解是麼，電哥這次充當課代表來給大家總結歸納一下吧，到底NCMA四元鋰電池有哪些優勢。

其實説白了，NCMA電池就是在我們常見的NCM電池上再次提升鎳的含量，增加電池容量的同時，通過加入鋁這一金屬離子，來保證電池的熱穩定性和容量保持率在一個健康水平之上。

再簡單一點説，電池還是一樣安全耐用，車還能跑更遠了。

這時，有人就會説了，LG費老勁，提升這麼點續航，安全耐用也沒有質的提升，為的是啥？

不知道大家注意到沒，鎳用量提升以後，再加入鋁，電池的鈷和錳的用量其實減少十分明顯，特別是成本佔大頭的鈷，含量直接降到了5%以內，按照LG官方給到減少70%鈷用量計算，這筆賬相當可觀，對了，忘了介紹，2021年6月期間，鈷的價格大概在35萬元/噸。

雖然官方沒有公佈具體能剩下多少成本，但LG説了未來的日子裏能推動NCMA電池成本降至100美元/kWh以下。

低價高能的NCMA電池説不定有希望助LG重奪失去的裝機量冠軍寶座。（此前被寧德時代反超）

電池何時能用？誰會用？

那究竟這LG自吹自擂這麼厲害的NCMA電池什麼時候能正式量產裝機？

關子就不賣了，傳聞是今年下半年就可以使用在量產車型上，但使用的廠商就有意思了，是特斯拉。為啥有趣，電哥和你嘮嘮。

其實LG要研發這款電池早就不是什麼新鮮事，早在去年就有這樣的消息傳出，而且最早的時候，風聲是傳LG要和通用合作研發新的四元鋰電池動力電池，匹配全新的Ultium平台，當時還曾為這項合作開過發佈會，各種吹噓新電池有多厲害厲害。

然後沒想到一年沒到，當LG傳出電池即將研發成功之際，首批使用新電池的廠商就換成了特斯拉。特斯拉這次與LG合作為的就是降低長續航版本的Model 3和Model Y的成本，提升其電池容量，爭取與海外使用松下電池的車型版本持平（甚至更大）。

而通用首款搭載四元鋰電池的電動車應該最早也要到明年才能投產並面世了。那應該説是特斯拉截胡了呢，還是通用的速度太慢了呢？

NCMA雖好，但確是過渡方案

前文雖然説了那麼多LG這個全新的NCMA四元鋰電池的優勢，那就是説那些行業內評價四元鋰電池是過渡產品的都説錯了？

那倒不是！

道理呢，非常簡單，四元鋰電池可以看作升級版的三元鋰電池，在汽車界的話那就是改款產品，換代產品也算不上，短期內確實能讓LG奪回一些失去的優勢，但長遠來看，LG仍需一款技術革新的電池來撐起場面。這樣局面，我們從LG公佈四元鋰電池被成功研發當天，寧德時代股價的反應就能看出來了（寧德時代並未受到此消息影響市值已破萬億）。

其實，除了四元鋰電池這樣修修補補的方案以外，各家電池廠商都在為下一代電池做準備。石墨烯電池、固態電池、氯離子電池、鈉離子電池……稍微搜一下各種的方案充斥網絡，但誰也不知道最終跑出的會是哪個。

不説了不説了，車又沒電了，又要去找充電站了。

充電的一個小時裏，又能看看新聞，做做運動了。

（圖/文：皆電 羅順鵬）