【原创】无钴时代


来源:中国粉体网   长安

[导读]  不可否认的是,电池“无钴化”已经成为动力电池行业的大势所趋,其本质就是为了降低成本。不管是磷酸铁锂电池,还是镍锰酸锂,亦或其他一些新型技术路线,关键在于能否寻找到替代钴在动力电池中支撑作用的方案。

中国粉体网讯  特斯拉在和比亚迪及宁德时代合作以前,一直使用的都是松下提供的三元电池(NCA),其中含有钴元素。在2019年的特斯拉财报电话会议上,马斯克提到可以把钴的使用量降到零。自从那以后,特斯拉将推出无钴电池的概念诞生了,这条信息经过媒体的传播不断得到强化。


无钴电池概念大火后,很多企业都想分一杯羹。2020年年初特斯拉放出消息,将采购宁德时代的“无钴电池”,后被证实,此无钴,其实是磷酸铁锂电池;3月份比亚迪发布刀片电池,本质上仍是磷酸铁锂电池,但电池容量有所提升,成本大幅降低;5月18日蜂巢能源召开发布会率先宣布推出NMx无钴电池,成为全球第一家成功研发出无钴电池的企业。


▲蜂巢能源无钴电池发布会


1、何为钴


众所周知新能源汽车最大的成本在于动力电池,在占据市场主导地位的三元锂电池中,相对于电池组需求最多的镍元素,钴元素所对应的运用意义往往被人忽略。钴元素作为元素周期表中第4周期、第Ⅷ族,钴在常温下不和水作用,在潮湿的空气中也很稳定。钴金属元素提炼一般来源于钴铜矿以及在湿法冶炼过程中出现的钴中间产品。提炼产品中,金属钴以及草酸钴和碳酸钴提取成的钴粉,主要用于高温合金、硬质合金、磁性材料和催化剂;氧化钴用于玻璃和彩瓷这部分传统需求领域。氯化钴和硫酸钴提炼产品分为两部分:一是四氧化三钴,作为钴酸锂电池的原材料,应用于3C消费电子领域;二是制造三元前驱体,作为三元正极的原材料,应用于动力电池。特别是在锂离子电池中,无论是镍钴锰酸锂(NCM)还是镍钴铝酸锂(NCA),钴都是组成电池正极材料必不可少的一种金属,它在三元聚合物中起到一个维持基础结构稳定,以及提高材料的循环和倍率性能、降低电芯内阻等重要作用。


既然钴的作用这么大,那么为何近几年电池企业都在追求“无钴化”?答案其实很简单粗暴,因为钴的全球储量有限,价格昂贵。据统计,2019年全球钴矿储量在700万吨左右,其中有一半以上在刚果(金),由于当地的政局长期处于不稳定状态,导致钴矿出口存在极大不确定性。另外,全球范围内新能源汽车的高速发展,再加上目前5G手机普及度的提升,对于钴的需求量日益加大,预计2026年以后,钴将供不应求。导致其价格进一步水涨船高,居高不下,众多的企业称之为“钴奶奶”,因此去钴化成为众多动力电池企业共同的选择。


▲钴产业链结构图


2、无钴时代


目前,舆论对于“无钴电池”的概念意见并不统一。有观点认为无钴电池指的并非本身就不含钴的电池,如磷酸铁锂电池等,而是钴被取代后的三元锂电池;当然也有观点与之相反,认为既然叫“无钴电池”,那只要是不含钴的电池,都可以这么来定义。小编其实比较认同第一种观点,所谓的“无钴”应该是相较于有钴背景下的一种优化。不过虽然解读各有所指,但其核心思想是一致的,在保证动力电池各方面性能的同时,降低生产成本。降钴、去钴目前已成为实现全固态电池行业的发展方向。


2.1 关于比亚迪


比亚迪一直深耕磷酸铁锂电池技术路线,推出了基于自家GCTP技术和磷酸铁锂电芯研发出来的“刀片电池”,其体积能量密度相比传统铁电池提升了50%,与主流三元锂电池持平,同时成本下降了30%,更重要的是,“刀片电池”安全性也远高于三元锂电池,这一点从之前网络热议的“针刺试验”便可见一斑。国内电池领域的另一巨头,宁德时代同样选择了采用CTP设计的磷酸铁锂电池,并且收获了特斯拉的大单,未来将应用在国产特斯拉Model3上。


▲比亚迪刀片电池


实际上,比亚迪和宁德时代的电池技术方案本质是一样的,都选择了基于磷酸铁锂电池发展“无钴电池”的技术路径。通过优化电池包的空间利用率、减轻电池包重量和模组环节成本来实现降低整体成本的目的,同时还可以提高电池组的体积能量密度和电池包能量密度。简单来说,就是跳过电池模组,直接将电芯安装在PACK里,尽可能简化模组。


但如果实现无钴的途径是“换道”磷酸铁锂电池,个人认为是不成立的。因为三元锂电池和磷酸铁锂电池是并行,互相看不上眼的两条路线。


2.2 关于特斯拉


2019年5月,特斯拉宣布完成对Maxwell的收购。Maxwell是全球著名的超级电容制造商,在业界看来,特斯拉收购Maxwell并不想用超级电容代替锂电池,而是看中了生产超级电容的干法技术。


▲Maxwell超级电容


相比于传统锂电池生产方法,使用干电极技术有诸多好处。超级电容不受锂、钴、镍等贵金属资源限制,主要原材料是活性炭,这种物质主要来源于椰壳等自然界生物质通过活化制成。此外干法工艺可以显著增加极片活性物质的负载量,从而有效提升储能器件能量密度。


马斯克在财报电话会议上说“可以把钴的使用量降到零”,或许是想通过干法技术摆脱钴元素的束缚。据特斯拉评估,该工艺如果应用于锂离子电池,在现有体系条件下可将锂离子电池能量密度提升10%~30%以上。既不使用钴元素,又能提升电池性能,这是一件两全其美的事情。


特斯拉搭载宁德时代LFP也是无奈之举,终究只是过渡方案。特斯拉很有可能与宁德时代签署某项合作,技术共享共同研发无钴电池,这项合作,也能帮助马斯克,用一个理想的价格从宁德时代采购LFP。


2.3 关于蜂巢能源


蜂巢能源推出的两款无钴电池更符合大多数人对于“无钴电池”的定义,去除三元锂电池中的钴,提高其中Mn的含量,其实就是镍锰酸锂电池。就电池本身而言,这不是一项新技术。毕竟,早在20年前,业界对这一技术已有研究,也有车用。只是,蜂巢能源对这一技术进行了深度优化。


镍锰酸锂电池属于锰酸锂系列,事实上,除了三元锂电池和磷酸铁锂电池之外,动力电池还有“第三条路线”可选,即锰酸锂系列。化学式为LiNi0.5Mn1.5O4,是由Ni取代锰酸锂(化学式LiMn2O4)中的部分Mn形成的,与锰酸锂有着同样的晶体结构。我们能够见到的纽扣电池用的也是这种正极材料。


蜂巢能源选择锰酸锂路线,并没有问题,因为这本就是一种路线选择,而且这个路线比三元电池出现的还要早。但是,“无钴电池”的称谓被部分媒体滥用了,其实在无形中“贬低”了三元锂电池。


▲蜂巢能源无钴电池


此前Jeff Dahn团队通过实验表明三元材料中钴元素并非不可替代,通过适当的掺杂处理能够很好的稳定三元材料的晶体结构,提升三元材料的循环稳定性。


无钴之后,蜂巢能源的电池依靠什么技术稳定电池材料的结构?蜂巢能源的相关人士表示,主要通过阳离子掺杂和单晶技术。掺杂技术是采用与氧化学键键能高的阳离子掺杂到晶体结构中,这样有利于高电压下脱锂后结构稳定。单晶技术比传统的球形多晶颗粒具有更高的颗粒强度,有利于改善安全性和循环性能。使用纳米网络包覆,这样材料更均匀包覆,减少与电解液的副反应,提升循环寿命。


该相关人士进一步表示,之前无钴电池已做过各种测试,结果表明无钴电池的安全性优于三元电池,接近磷酸铁锂电池。例如,无钴电池可以轻松通过150℃热箱试验,而三元电池一般标准下只能达到130℃左右。


2021年7月16日,蜂巢能源在江苏举行了首款无钴电池量产下线仪式。这意味着全球首款无钴电池走出实验室,正式实现量产,蜂巢能源由此成为全球首家突破无钴电池技术难关,成功实现产品量产的动力电池企业。


▲长城欧拉樱桃猫


据了解,本次量产下线的无钴电池是一款能量密度为240wh/kg,容量为 115Ah-MEB产品,将搭载在长城欧拉樱桃猫车型上,NEDC工况下续航里程最高有望超550公里。


根据规划,该款无钴电池将于年底前在其马鞍山基地大批量下线。


3、写在最后


不可否认的是,电池“无钴化”已经成为动力电池行业的大势所趋,其本质就是为了降低成本。不管是磷酸铁锂电池,还是镍锰酸锂,亦或其他一些新型技术路线,关键在于能否寻找到替代钴在动力电池中支撑作用的方案。但动力电池“无钴”是否就意味着可以进一步降低成本,对于电池循环次数影响有多大,以及电池结构稳定性等问题尚需评估。有业内专家认为,无钴电池大规模量产短期内很难实现,仍需技术上有所突破,毕竟前沿技术研发和最终实现量产不可一概而论,比较理想的发展轨迹就是部分车型率先应用低钴或无钴电池。


资料来源:

搜狐、乐晴智库、车质网、中国汽车画报、知乎、连线新能源、威腾网


(中国粉体网编辑整理/长安)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除

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作者:长安

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