中國儲能網(wǎng)訊：二十年前，一篇關(guān)于“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的層狀材料鎳錳酸鋰”的文章誕生于日本。那篇文章的作者不會想到，二十年后，一家來自中國的企業(yè)即將把這個技術(shù)從實驗室搬出來。
“網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了‘無鈷就是磷酸鐵鋰’的解讀，我們要來正名，蜂巢能源的無鈷是在鎳鈷錳三元材料中去掉了鈷元素?！狈涑材茉纯偛脳罴t新的這句開場白，似曾相識。
今年2月18日，特斯拉將研發(fā)無鈷電池的消息不脛而走，一時間資本市場被激起層層浪花，鈷元素相關(guān)股票紛紛大跌，“對面兒”的磷酸鐵鋰電池概念股卻應(yīng)聲大漲。然而沒過兩天，特斯拉在一次回復(fù)用戶時表示，“請留意4月（或推遲至6月）的電池發(fā)布會，無鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰?！?
三個月后，蜂巢能源率先出牌了。
蜂巢能源發(fā)布了兩款無鈷電池，第一款無鈷電池基于590模組的電芯設(shè)計，容量為115安時，電芯能量密度達到245瓦時/公斤。它是在通用化電芯尺寸設(shè)計基礎(chǔ)上完成的，能夠搭載到目前大部分新的純電平臺上，在整車端能夠?qū)崿F(xiàn)15年120萬公里的質(zhì)保，預(yù)計在2021年6月份推向市場。
第二款是L6薄片無鈷長電芯，容量226安時，官方表示其正在與汽車企業(yè)合作開發(fā)，在矩陣式PACK設(shè)計支持下，是全球第一款可以實現(xiàn)880公里的續(xù)航里程的車型，預(yù)計可以在2021年下半年實現(xiàn)量產(chǎn)。
“無鈷電池”已成大勢所趨？
鈷是一種稀缺金屬，原子序數(shù)27，是鋰電池正極材料中的重要組成部分。它能夠提供穩(wěn)定的電池性能結(jié)構(gòu)，這對于鋰電池安全性而言至關(guān)重要。
對于“無鈷”這個概念，楊紅新坦言：“無鈷材料并非蜂巢能源的獨創(chuàng)，人們在無鈷材料的開發(fā)道路上已經(jīng)持續(xù)走了20年，自從鈷酸鋰成為首個商業(yè)化的正極材料以來，由于鈷的昂貴性和稀缺性，人們一直在尋找可替代鈷的其它材料，我們預(yù)計，2026年后鈷將供不應(yīng)求?！?
他說得沒錯，從鈷酸鋰中鈷的59%占比值，逐漸發(fā)展到NCM 523（12%）、NCM 811（7%），直到無鈷電池的0%。自去年7月蜂巢能源全球首發(fā)了無鈷材料電池后，業(yè)內(nèi)關(guān)于它的討論不僅停留在技術(shù)層面，在很多業(yè)內(nèi)人士看來，動力電池“無鈷化”的風(fēng)口已至。
早在2018年，馬斯克就發(fā)布推特稱，特斯拉的鈷使用量將從目前的3％降至0％。最近，特斯拉長期合作伙伴Jeff Dahn教授團隊表示，通過他們的實驗，鈷的必要性似乎并不高，降鈷是特斯拉電池研發(fā)的主要目標(biāo)之一。
今年2月《The Driven》曾報道稱，特斯拉和寧德時代正在開發(fā)無鈷電池。“公司有自己的‘無鈷’電池技術(shù)儲備，目前研發(fā)進展順利，正在想辦法搞好供應(yīng)鏈，因為是一個全新的、顛覆性的產(chǎn)品?！痹诓痪们暗臉I(yè)績說明會上，寧德時代表示。
此前據(jù)多家外媒報道，寧德時代一直在研究無鈷和低鈷電池技術(shù)，寧德時代的無鈷磷酸鐵鋰電池組成本已跌破80美元/千瓦時，電芯跌破了60美元/千瓦時，而低鈷三元電池組達到了驚人的100美元/千瓦時。
鈷元素被“排擠”的原因主要有二：稀缺、開采。
鈷在地殼中的含量比較低，豐度僅為0.0025%，全球陸地鈷的儲量約為710萬噸，區(qū)域分布卻十分集中，剛果(金)在全球鈷儲量的占比為52%。在全球目前的鈷元素消耗中，約50%左右用在鋰電池上?！懊恳徊渴謾C大約會用到10克左右的鈷，特斯拉純電動車大約每輛會用到13公斤的鈷?！睏罴t新舉了兩個很直觀的例子。
“稀缺”帶來的除了難以支撐新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的焦慮，還逼出了日益走高的價格，且波動巨大。中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書長王子冬表示：“電動車的發(fā)展在延續(xù)鋰電池技術(shù)路線的時候，發(fā)現(xiàn)了很多問題，比如熱失控、內(nèi)短等。電動車用的電池和3C消費電子類用的電池體量完全不一樣，前者的個別電池出現(xiàn)問題時會出現(xiàn)連鎖反應(yīng)。并且，資源方面也出現(xiàn)了問題，鈷的價格從8萬/噸漲到了最高60萬/噸，大家都在做努力降低鈷的占比?！?
還有一點值得重點關(guān)注，即手挖礦和童工。從開采、出口，再到權(quán)益斗爭，依靠鈷不僅無法改變國家貧窮的面貌，反而秩序愈發(fā)混亂不堪。一份來自國際赦免法庭“關(guān)于鈷貿(mào)易中侵犯人權(quán)行為”的報告中曾指出：兒童開采的鈷，最終成為了蘋果，微軟，特斯拉和三星等知名科技公司的產(chǎn)品。
去年12月，蘋果、Alphabet、微軟、戴爾以及特斯拉五家公司，在美國被國際人權(quán)組織提起聯(lián)邦訴訟。14名原告包括了開采鈷礦時因隧道、墻壁坍塌等事故致殘或致死兒童的監(jiān)護人。并且，很多童工每天都會吸入大量有毒的灰塵，導(dǎo)致的嚴(yán)重后果不忍直視。
蜂巢能源，怎么做無鈷電池？
坦白講，三元材料和磷酸鐵鋰也確實“不爭氣”。
就現(xiàn)階段而言，動力電池依舊處于“魚和熊掌”的時期，以鎳鈷錳、鎳鈷鋁為主要材料的三元技術(shù)路線，雖然能力密度比較高，可以顯著提升電動車的續(xù)航里程，但卻不得不在安全和使用壽命上做出一定的讓步；磷酸鐵鋰電池發(fā)熱量比較少，安全性好，但續(xù)航里程不盡如人意。在楊紅新看來，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新來增加電池容量，無法規(guī)避增重問題，會帶來電耗的增加。
蜂巢能源的薄片式無鈷電池，概括來說，即通過單晶無鈷材料技術(shù)、疊片電芯設(shè)計技術(shù)、矩陣PACK設(shè)計技術(shù)和車規(guī)級Ai制造等方式，可實現(xiàn)續(xù)航里程超過800公里，以及15年120萬公里的長使用壽命。
文章開篇曾提到的鎳錳酸鋰，正是蜂巢能源無鈷電池的正極材料，這個材料之所以歷經(jīng)二十年都沒有從實驗室走出來，很大程度上是因為存在難以逾越的難點。“比如+2價鎳離子占據(jù)鋰離子的位置，阻礙鋰的拖嵌，使得鋰鎳混排大。另外，循環(huán)性能不理想，需要在高電壓下才能夠充放電?！睏罴t新介紹說。
蜂巢能源的做法是，首先通過陽離子摻雜技術(shù)提高材料的上限電壓，實現(xiàn)能量密度比磷酸鐵鋰高40%。同時，采用了兩種化學(xué)鍵能更強大的元素替代鈷，摻雜到材料中，通過強化學(xué)鍵穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu)，減少了鋰鎳混排，改善了材料穩(wěn)定性，且可以在4.3-4.35伏電壓下穩(wěn)定工作。
其次，單晶技術(shù)可以改善安全性和壽命，單晶與多晶相比具有更強的顆粒強度和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，耐壓力強度提高10倍，電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。
同時，蜂巢能源無鈷電池采用了納米網(wǎng)絡(luò)化包覆技術(shù)。三角網(wǎng)絡(luò)是韌性最高的結(jié)構(gòu)，合成過程中在單晶表明包覆了一層納米氧化物，可以減少正極材料和電解液的副反應(yīng)，有效改善了高電壓下的材料循環(huán)性能，
再加上蜂巢能源引以為傲的“疊片設(shè)計"，其有效提升了電芯內(nèi)部的體積空間利用率，層狀結(jié)構(gòu)可以使極片的平整度更好、應(yīng)力更均勻、膨脹變形更小，該設(shè)計可以使無鈷電芯的能量密度再提高5%，循環(huán)壽命再提升10%。
最后一個是矩陣式PACK，其將電池包劃分為兩個矩陣網(wǎng)絡(luò)，將長的薄片無鈷電池規(guī)則排列在網(wǎng)格內(nèi)。在電池包內(nèi)部組成大型矩陣模塊，矩陣和矩陣之間相互關(guān)聯(lián)又相互獨立，正常工況時能夠保證整個矩陣模塊的剛度，而在非常規(guī)極端工況下，比如側(cè)碰時，可以通過多個電芯分散撞擊力，保證電池包和整車安全，成組效率達到80%（傳統(tǒng)電池包和CTP技術(shù)為72%-75%左右）。據(jù)楊紅新透露，目前第二款無鈷電池正在和長城高端車型進行適配。
對于無鈷電池，王子冬認為高性能并非第一課題，“無鈷電池對行業(yè)貢獻比較大，它的出現(xiàn)，我更希望在安全性、長壽命、可靠性等方面做文章。并且，在無鈷的情況下，希望能把電壓平臺、能量密度、克容量拉高，來稀釋鎳材料成本的影響，這一點非常關(guān)鍵?！睋?jù)官方介紹，蜂巢能源的無鈷電池已經(jīng)通過了國標(biāo)和歐標(biāo)的全部安全性測試，在安全性能上要優(yōu)于三元電池，以熱穩(wěn)定方面為例，其通過了150攝氏度的熱箱實驗。
關(guān)于適配問題，真鋰研究首席分析師墨柯也向懂車帝表達了自己的觀點，他認為，無鈷電池短時間內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的可能性不大，但若開始應(yīng)用，車型適配方面不會有太大問題，“蜂巢能源所說的適配可能更多指的是其車規(guī)級概念，也就是方形疊片電池，這種電池可以做到扁平狹長，利于散熱，利于PACK設(shè)計。”
寫在最后：
特斯拉自研電池、特斯拉與寧德時代合作研發(fā)電池、寧德時代CTP技術(shù)、比亞迪刀片電池、蜂巢能源無鈷電池......相信很多人都沒想到，今年上半年動力電池技術(shù)的“競賽”竟會如此精彩。無鈷電池從各方面看已堪稱完美，但在車型適配、實際應(yīng)用表現(xiàn)等方面還需時間來驗證。談及開放，據(jù)楊紅新透露，目前蜂巢能源已和兩家國際品牌在深入溝通適配的可能性，對方非常感興趣。
