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。
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。
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， 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
近期由 LGES 所公開的未來戰略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。
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。
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。
資料來源：ITIS智網 四元鋰離子電池正極材料NCMA未來應用潛力
工研院產科國際所 ITIS 研究團隊 陳雨筑 2021 年 9 月