中國粉體網(wǎng)訊 特斯拉在和比亞迪及寧德時代合作以前，一直使用的都是松下提供的三元電池（NCA），其中含有鈷元素。在2019年的特斯拉財報電話會議上，馬斯克提到可以把鈷的使用量降到零。自從那以后，特斯拉將推出無鈷電池的概念誕生了，這條信息經(jīng)過媒體的傳播不斷得到強化。
無鈷電池概念大火后，很多企業(yè)都想分一杯羹。2020年年初特斯拉放出消息，將采購寧德時代的“無鈷電池”，后被證實，此無鈷，其實是磷酸鐵鋰電池；3月份比亞迪發(fā)布刀片電池，本質(zhì)上仍是磷酸鐵鋰電池，但電池容量有所提升，成本大幅降低；5月18日蜂巢能源召開發(fā)布會率先宣布推出NMx無鈷電池，成為全球第一家成功研發(fā)出無鈷電池的企業(yè)。
▲蜂巢能源無鈷電池發(fā)布會
1、何為鈷
眾所周知新能源汽車最大的成本在于動力電池，在占據(jù)市場主導(dǎo)地位的三元鋰電池中，相對于電池組需求最多的鎳元素，鈷元素所對應(yīng)的運用意義往往被人忽略。鈷元素作為元素周期表中第4周期、第Ⅷ族，鈷在常溫下不和水作用，在潮濕的空氣中也很穩(wěn)定。鈷金屬元素提煉一般來源于鈷銅礦以及在濕法冶煉過程中出現(xiàn)的鈷中間產(chǎn)品。提煉產(chǎn)品中，金屬鈷以及草酸鈷和碳酸鈷提取成的鈷粉，主要用于高溫合金、硬質(zhì)合金、磁性材料和催化劑；氧化鈷用于玻璃和彩瓷這部分傳統(tǒng)需求領(lǐng)域。氯化鈷和硫酸鈷提煉產(chǎn)品分為兩部分：一是四氧化三鈷，作為鈷酸鋰電池的原材料，應(yīng)用于3C消費電子領(lǐng)域；二是制造三元前驅(qū)體，作為三元正極的原材料，應(yīng)用于動力電池。特別是在鋰離子電池中，無論是鎳鈷錳酸鋰（NCM）還是鎳鈷鋁酸鋰（NCA），鈷都是組成電池正極材料必不可少的一種金屬，它在三元聚合物中起到一個維持基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及提高材料的循環(huán)和倍率性能、降低電芯內(nèi)阻等重要作用。
既然鈷的作用這么大，那么為何近幾年電池企業(yè)都在追求“無鈷化”？答案其實很簡單粗暴，因為鈷的全球儲量有限，價格昂貴。據(jù)統(tǒng)計，2019年全球鈷礦儲量在700萬噸左右，其中有一半以上在剛果（金），由于當(dāng)?shù)氐恼珠L期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致鈷礦出口存在極大不確定性。另外，全球范圍內(nèi)新能源汽車的高速發(fā)展，再加上目前5G手機普及度的提升，對于鈷的需求量日益加大，預(yù)計2026年以后，鈷將供不應(yīng)求。導(dǎo)致其價格進一步水漲船高，居高不下，眾多的企業(yè)稱之為“鈷奶奶”，因此去鈷化成為眾多動力電池企業(yè)共同的選擇。
▲鈷產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖
2、無鈷時代
目前，輿論對于“無鈷電池”的概念意見并不統(tǒng)一。有觀點認為無鈷電池指的并非本身就不含鈷的電池，如磷酸鐵鋰電池等，而是鈷被取代后的三元鋰電池；當(dāng)然也有觀點與之相反，認為既然叫“無鈷電池”，那只要是不含鈷的電池，都可以這么來定義。小編其實比較認同第一種觀點，所謂的“無鈷”應(yīng)該是相較于有鈷背景下的一種優(yōu)化。不過雖然解讀各有所指，但其核心思想是一致的，在保證動力電池各方面性能的同時，降低生產(chǎn)成本。降鈷、去鈷目前已成為實現(xiàn)全固態(tài)電池行業(yè)的發(fā)展方向。
2.1 關(guān)于比亞迪
比亞迪一直深耕磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線，推出了基于自家GCTP技術(shù)和磷酸鐵鋰電芯研發(fā)出來的“刀片電池”，其體積能量密度相比傳統(tǒng)鐵電池提升了50%，與主流三元鋰電池持平，同時成本下降了30%，更重要的是，“刀片電池”安全性也遠高于三元鋰電池，這一點從之前網(wǎng)絡(luò)熱議的“針刺試驗”便可見一斑。國內(nèi)電池領(lǐng)域的另一巨頭，寧德時代同樣選擇了采用CTP設(shè)計的磷酸鐵鋰電池，并且收獲了特斯拉的大單，未來將應(yīng)用在國產(chǎn)特斯拉Model3上。
▲比亞迪刀片電池
實際上，比亞迪和寧德時代的電池技術(shù)方案本質(zhì)是一樣的，都選擇了基于磷酸鐵鋰電池發(fā)展“無鈷電池”的技術(shù)路徑。通過優(yōu)化電池包的空間利用率、減輕電池包重量和模組環(huán)節(jié)成本來實現(xiàn)降低整體成本的目的，同時還可以提高電池組的體積能量密度和電池包能量密度。簡單來說，就是跳過電池模組，直接將電芯安裝在PACK里，盡可能簡化模組。
但如果實現(xiàn)無鈷的途徑是“換道”磷酸鐵鋰電池，個人認為是不成立的。因為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是并行，互相看不上眼的兩條路線。
2.2 關(guān)于特斯拉
2019年5月，特斯拉宣布完成對Maxwell的收購。Maxwell是全球著名的超級電容制造商，在業(yè)界看來，特斯拉收購Maxwell并不想用超級電容代替鋰電池，而是看中了生產(chǎn)超級電容的干法技術(shù)。
▲Maxwell超級電容
相比于傳統(tǒng)鋰電池生產(chǎn)方法，使用干電極技術(shù)有諸多好處。超級電容不受鋰、鈷、鎳等貴金屬資源限制，主要原材料是活性炭，這種物質(zhì)主要來源于椰殼等自然界生物質(zhì)通過活化制成。此外干法工藝可以顯著增加極片活性物質(zhì)的負載量，從而有效提升儲能器件能量密度。
馬斯克在財報電話會議上說“可以把鈷的使用量降到零”，或許是想通過干法技術(shù)擺脫鈷元素的束縛。據(jù)特斯拉評估，該工藝如果應(yīng)用于鋰離子電池，在現(xiàn)有體系條件下可將鋰離子電池能量密度提升10％～30％以上。既不使用鈷元素，又能提升電池性能，這是一件兩全其美的事情。
特斯拉搭載寧德時代LFP也是無奈之舉，終究只是過渡方案。特斯拉很有可能與寧德時代簽署某項合作，技術(shù)共享共同研發(fā)無鈷電池，這項合作，也能幫助馬斯克，用一個理想的價格從寧德時代采購LFP。
2.3 關(guān)于蜂巢能源
蜂巢能源推出的兩款無鈷電池更符合大多數(shù)人對于“無鈷電池”的定義，去除三元鋰電池中的鈷，提高其中Mn的含量，其實就是鎳錳酸鋰電池。就電池本身而言，這不是一項新技術(shù)。畢竟，早在20年前，業(yè)界對這一技術(shù)已有研究，也有車用。只是，蜂巢能源對這一技術(shù)進行了深度優(yōu)化。
鎳錳酸鋰電池屬于錳酸鋰系列，事實上，除了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之外，動力電池還有“第三條路線”可選，即錳酸鋰系列�；瘜W(xué)式為LiNi0.5Mn1.5O4，是由Ni取代錳酸鋰（化學(xué)式LiMn2O4）中的部分Mn形成的，與錳酸鋰有著同樣的晶體結(jié)構(gòu)。我們能夠見到的紐扣電池用的也是這種正極材料。
蜂巢能源選擇錳酸鋰路線，并沒有問題，因為這本就是一種路線選擇，而且這個路線比三元電池出現(xiàn)的還要早。但是，“無鈷電池”的稱謂被部分媒體濫用了，其實在無形中“貶低”了三元鋰電池。
▲蜂巢能源無鈷電池
此前Jeff Dahn團隊通過實驗表明三元材料中鈷元素并非不可替代，通過適當(dāng)?shù)膿诫s處理能夠很好的穩(wěn)定三元材料的晶體結(jié)構(gòu)，提升三元材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
無鈷之后，蜂巢能源的電池依靠什么技術(shù)穩(wěn)定電池材料的結(jié)構(gòu)？蜂巢能源的相關(guān)人士表示，主要通過陽離子摻雜和單晶技術(shù)。摻雜技術(shù)是采用與氧化學(xué)鍵鍵能高的陽離子摻雜到晶體結(jié)構(gòu)中，這樣有利于高電壓下脫鋰后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。單晶技術(shù)比傳統(tǒng)的球形多晶顆粒具有更高的顆粒強度，有利于改善安全性和循環(huán)性能。使用納米網(wǎng)絡(luò)包覆，這樣材料更均勻包覆，減少與電解液的副反應(yīng)，提升循環(huán)壽命。
該相關(guān)人士進一步表示，之前無鈷電池已做過各種測試，結(jié)果表明無鈷電池的安全性優(yōu)于三元電池，接近磷酸鐵鋰電池。例如，無鈷電池可以輕松通過150℃熱箱試驗，而三元電池一般標(biāo)準下只能達到130℃左右。
2021年7月16日，蜂巢能源在江蘇舉行了首款無鈷電池量產(chǎn)下線儀式。這意味著全球首款無鈷電池走出實驗室，正式實現(xiàn)量產(chǎn)，蜂巢能源由此成為全球首家突破無鈷電池技術(shù)難關(guān)，成功實現(xiàn)產(chǎn)品量產(chǎn)的動力電池企業(yè)。
▲長城歐拉櫻桃貓
據(jù)了解，本次量產(chǎn)下線的無鈷電池是一款能量密度為240wh/kg，容量為 115Ah-MEB產(chǎn)品，將搭載在長城歐拉櫻桃貓車型上，NEDC工況下續(xù)航里程最高有望超550公里。
根據(jù)規(guī)劃，該款無鈷電池將于年底前在其馬鞍山基地大批量下線。
3、寫在最后
不可否認的是，電池“無鈷化”已經(jīng)成為動力電池行業(yè)的大勢所趨，其本質(zhì)就是為了降低成本。不管是磷酸鐵鋰電池，還是鎳錳酸鋰，亦或其他一些新型技術(shù)路線，關(guān)鍵在于能否尋找到替代鈷在動力電池中支撐作用的方案。但動力電池“無鈷”是否就意味著可以進一步降低成本，對于電池循環(huán)次數(shù)影響有多大，以及電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題尚需評估。有業(yè)內(nèi)專家認為，無鈷電池大規(guī)模量產(chǎn)短期內(nèi)很難實現(xiàn)，仍需技術(shù)上有所突破，畢竟前沿技術(shù)研發(fā)和最終實現(xiàn)量產(chǎn)不可一概而論，比較理想的發(fā)展軌跡就是部分車型率先應(yīng)用低鈷或無鈷電池。
資料來源：
搜狐、樂晴智庫、車質(zhì)網(wǎng)、中國汽車畫報、知乎、連線新能源、威騰網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除
