2020年，不曾想“無鈷電池”會作為電池技術(shù)路線創(chuàng)新的一支突然爆發(fā)。自今年2月電動汽車“流量之王”——特斯拉向外界透露將自主研發(fā)無鈷電池后，一池春水就此被攪動。5月，寧德時代透露其公司有無鈷電池相關(guān)技術(shù)儲備，目前研發(fā)進展順利，正在想辦法完善供應(yīng)鏈。就在特斯拉、寧德時代還只是釋放“無鈷”概念的時候，成立僅兩年的電池新勢力——蜂巢能源在5月18日舉行無鈷電池產(chǎn)品發(fā)布會，正式發(fā)布了兩款無鈷電池新品，引發(fā)國內(nèi)外行業(yè)的高度關(guān)注。
發(fā)布會上，蜂巢能源總裁楊紅新透露，蜂巢能源無鈷電池有望在2021年6月上市裝車。
直接一桿子將貌似遙遠的產(chǎn)品上市杵到明年6月，同時蜂巢能源亮相的兩款無鈷電池與目前的三元NCM622、NCM811電池性能相當，難免有人議論蜂巢能源是不是在“玩概念、搶風頭”？另外，自發(fā)布會以來小編還搜羅了不少業(yè)界人士對于“無鈷電池”的討論。近日，帶著業(yè)界的一些疑問，電池中國網(wǎng)聯(lián)系到蜂巢能源無鈷電池的技術(shù)研發(fā)團隊，對其進行了一次系統(tǒng)訪談，試圖揭開蜂巢能源“無鈷電池”的神秘面紗。
1 為什么要研發(fā)“無鈷電池”？
鈷是三元鋰電池正極材料的重要元素之一，主要起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、提高材料循環(huán)和導電性能的作用。值得注意的是，鈷也是三元電池正極材料中最昂貴的“一元”。因其儲量稀少，主產(chǎn)地目前政局不夠穩(wěn)定，價格容易被操控，且一直處于高位。因而，為降低電池成本，“低鈷”甚至“去鈷”一直是產(chǎn)業(yè)界努力的方向。
技術(shù)方向上，為破解電動汽車“續(xù)航焦慮”，提升動力電池能量密度，三元電池也一直在朝著“高鎳低鈷”甚至無鈷的方向發(fā)展。據(jù)蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人介紹，“在電池正極材料中，鈷含量的比例從最早的鈷酸鋰中的59%，已降到目前廣泛應(yīng)用的三元NCM523中的12%；而最新的三元正極材料NCM811，其鈷含量已控制在7%以內(nèi)”。特斯拉曾宣稱，目前三元鋰電池鈷含量可降至3%。
2 蜂巢能源無鈷電池技術(shù)到底是什么樣的？
蜂巢能源最早曾于2019年7月對外發(fā)布了其無鈷電池技術(shù)。一年后正式對外發(fā)布了“無鈷電池”A樣產(chǎn)品。據(jù)楊紅新介紹，其無鈷電池就是從三元NCM（鎳鈷錳）中真正拿掉鈷的二元鎳錳酸鋰（NMx）電池。
鎳錳酸鋰（NMx）正極材料的理論提出由來已久，早在2000年，日本學者就發(fā)表了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的層狀材料鎳錳酸鋰的文章，此后的近二十年，在“去鈷”的道路上，業(yè)界無數(shù)同仁前赴后繼，但一直難有突破，“業(yè)界大多是朝著‘高鎳去鈷’的方向去努力，”蜂巢能源無鈷材料研發(fā)負責人表示，“隨著鎳含量的提高，材料的熱穩(wěn)定性下降，并導致安全風險加大。同時，高鎳條件下產(chǎn)氣釋氧，與電解液反應(yīng)，電池循環(huán)性能受到較大影響”。
“其實我們也在高鎳方向上走了兩年的彎路，實際上目前低鈷的NCM811技術(shù)仍然不能說成熟，”蜂巢能源無鈷材料研發(fā)負責人表示，“后來我們就轉(zhuǎn)變了方向，把鎳含量降低，在鎳7系和8系中間做無鈷材料，也就是用中高鎳體系來做‘無鈷材料’?！?
該負責人表示，電化學體系材料配比轉(zhuǎn)向是一方面，“陽離子摻雜技術(shù)、 單晶技術(shù)、納米網(wǎng)絡(luò)化包覆技術(shù)”這三種技術(shù)是真正推動“無鈷電池”落地，并滿足整車應(yīng)用場景需求的關(guān)鍵。
在發(fā)布會上，楊紅新也曾對這三種技術(shù)進行過簡單介紹：陽離子摻雜技術(shù)即采用兩種化學鍵能更大的元素摻雜到材料中替代鈷，通過強化學鍵穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu)，減少鋰鎳混排，大幅改善材料的穩(wěn)定性，可以在4.3-4.35V電壓下穩(wěn)定工作，實現(xiàn)能量密度比磷酸鐵鋰提高40%。
單晶技術(shù)則可以改善電池的安全性和壽命。電池在極片制作過程中，為了在有限的殼體空間內(nèi)加入更多的活性材料，要經(jīng)過高強度輥壓。與多晶材料相比，單晶材料在輥壓過程中具有更強的顆粒強度和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，耐壓力強度可以提高10倍。正是這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，為無鈷材料帶來超長的使用壽命，電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。
納米網(wǎng)絡(luò)包覆技術(shù)，即在單晶表面包覆一層納米氧化物，可以減少正極材料與電解液的副反應(yīng)。該技術(shù)可有效改善高電壓下的材料循環(huán)性能。
電化學體系層面的思路轉(zhuǎn)變，以及上述三大黑科技的加持，最終使得蜂巢能源在無鈷材料的開發(fā)上率先取得突破。
3 無鈷電池是三元和磷酸鐵鋰的折中方案嗎？
發(fā)布會上，蜂巢能源拿“無鈷電池”與目前主流的三元電池、磷酸鐵鋰電池在能量密度、循環(huán)壽命、安全、成本等維度進行了對比，以展示“無鈷電池”商業(yè)化的可行性及前景?？赐臧l(fā)布會后，有人認為，“無鈷電池”是三元電池和磷酸鐵鋰的折中方案。事實果真如此嗎？
“目前磷酸鐵鋰的單體能量密度在190Wh/kg基本已經(jīng)接近天花板了，我們開發(fā)的‘無鈷電池’能量密度要比磷酸鐵鋰能量密度高出40%左右，”據(jù)蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人介紹，“公司推出的首款‘無鈷電池’能量密度達到245Wh/kg，盡管鎳含量沒有NCM811高，但能量密度與現(xiàn)階段的NCM811已經(jīng)非常接近了；在不同電壓體系下，其能量密度表現(xiàn)要好于NCM523、NCM613”。
安全性方面，目前蜂巢能源NMx“無鈷電池”A樣產(chǎn)品已做過熱箱過沖、短路、熱失控、熱蔓延、擠壓、撞擊，包括噴射實驗測試，測試結(jié)果顯示安全容忍度都要高于三元電池。
如電芯熱箱安全測試（見下圖），可以通過150℃，0.5h的嚴苛測試條件，而目前國標（GB/T 31485-2015）的要求僅為130℃，0.5h。
當然，與磷酸鐵鋰相比，由于磷酸鐵鋰熱穩(wěn)定性的天然優(yōu)勢，磷酸鐵鋰在安全性上還是要更勝一籌。
電芯循環(huán)壽命方面，在25℃，1C充放電500次循環(huán)，都沒有明顯的容量損失。
據(jù)了解，目前無鈷電池的產(chǎn)品為B樣狀態(tài)，今年的8月份就可對外進行樣品送樣測試。
成本方面，“因為實現(xiàn)了無鈷，無鈷正極材料成本要比當前主流的NCM材料低15%左右?！狈涑材茉礋o鈷材料負責人還表示，“因為無鈷，材料本身價格將不會再隨鈷價波動而變化，價格也將更穩(wěn)定，不用擔心鈷價波動帶來的影響”。他還認為，未來隨著無鈷材料產(chǎn)能規(guī)模的不斷擴大，價格還有望繼續(xù)下探。
“能量密度上已經(jīng)比肩高鎳三元電池材料，并遠高于磷酸鐵鋰，同時成本要比三元材料低15%左右，”蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人表示，各項性能上的差距并非折中產(chǎn)品所能做到的。
4 為何2021年下半年才上市？
發(fā)布會上，蜂巢能源發(fā)布的兩款無鈷電池都將于2021年下半年開始上市。由于上市時間仍然有一年之久，很多人認為蜂巢能源是不是在搶無鈷電池的風頭？
“一種新技術(shù)的誕生和新產(chǎn)品的最終落地應(yīng)用都有一定的周期，”蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人告訴電池中國網(wǎng)，“從技術(shù)開發(fā)、調(diào)試、優(yōu)化，再從產(chǎn)品從A樣、B樣，以及搭載到整車上的驗證，夏季、冬季標定都需要一定的周期，無鈷電池的開發(fā)也同樣如此”。
蜂巢能源2019年7月向外界發(fā)布了無鈷電池技術(shù)，其后就一直進行無鈷正極材料體系的相關(guān)測試、優(yōu)化和驗證，今年5月正式發(fā)布了兩款A(yù)樣“無鈷電芯”。據(jù)悉，目前蜂巢能源正在進行B樣產(chǎn)品的生產(chǎn)測試、調(diào)試、優(yōu)化，同時基于B樣產(chǎn)品進行電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)工作?！癇樣之后，我們還要做C樣以及配套整車的開發(fā)和驗證流程，時間線上計劃明年6月將產(chǎn)品推向市場。”
目前，特斯拉計劃在其“電池日”活動中宣布其自主研發(fā)的無鈷電池技術(shù)，也有一些電池企業(yè)透露有無鈷電池相關(guān)技術(shù)的儲備。同樣，從技術(shù)公布到產(chǎn)品經(jīng)歷A樣、B樣再到裝車應(yīng)用，都需要較長的測試、優(yōu)化和驗證周期。
5 無鈷電池未來會成為主流技術(shù)路線嗎？
磷酸鐵鋰的低成本、高安全、長壽命，三元電池的高能量密度、優(yōu)異的循環(huán)性能，使得這兩種電池技術(shù)路線成為目前乃至未來較長一段時間的主流電池技術(shù)路線。近兩年業(yè)界呼聲較高的“無鈷電池”未來也會成為主流電池技術(shù)路線之一嗎？
“從技術(shù)發(fā)展的趨勢我們可以看到，鈷含量在逐漸降低，從最開始的59%降到30%，再降到12%、7%甚至3%，材料開發(fā)的方向一直是奔著鈷含量越來越低的趨勢，”蜂巢能源無鈷電池研發(fā)負責人表示，低鈷、甚至無鈷一直是電池技術(shù)發(fā)展的趨勢，“現(xiàn)在我們把無鈷的時間軸提前了，相信其他公司也會加快這一技術(shù)的研發(fā)步伐，而隨著越來越多電池、整車企業(yè)參與進來，未來無鈷將成為主流電池路線之一?！?
從供給端來看，全球鈷資源儲量稀缺，目前每年鈷產(chǎn)量約為20萬噸，其中約49%用于消費類電池產(chǎn)品，有14%用于新能源汽車動力電池，剩余的主要用于合金領(lǐng)域。根據(jù)我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，到2025年我國新能源汽車產(chǎn)銷占比要達到新車產(chǎn)銷的25%，較目前增長約5倍（約700萬輛）；國外方面，大眾、寶馬、戴姆勒等國際主流車企也紛紛制定了汽車電動化戰(zhàn)略，2025年全球新能源汽車產(chǎn)銷有望超過1000萬輛。粗略測算，對鈷的需求也將是現(xiàn)在的5倍?！半S著全球大力發(fā)展電動汽車，現(xiàn)有鈷資源是無法支撐全球電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的，低鈷和去鈷將是大勢所趨，”蜂巢能源無鈷電池正極材料研發(fā)負責人認為，隨著無鈷電池技術(shù)的成熟，且成本更低，同時也擺脫了對鈷的依賴，無鈷電池未來必將成為主流電池技術(shù)路線之一。
6 無鈷電池技術(shù)也需要迭代
發(fā)布會上，蜂巢能源亮相的兩款無鈷電池，分別具有長續(xù)航（可實現(xiàn)880km續(xù)航）和長壽命特點，這兩款產(chǎn)品是基于同一材料體系根據(jù)不同應(yīng)用場景打造。“如同三元材料經(jīng)歷了5系到8系，甚至還會出現(xiàn)9系一樣，未來無鈷電池也可以根據(jù)鎳含量的不同衍生出多種無鈷體系電池?！狈涑材茉礋o鈷電池研發(fā)負責人表示，公司現(xiàn)階段通過降低鎳含量，實現(xiàn)無鈷材料技術(shù)的突破，并研發(fā)出無鈷電池，“有了第一款無鈷材料的技術(shù)積累，我們將繼續(xù)從材料端迭代開發(fā)無鈷材料體系，且基于每一種材料體系去開發(fā)不同應(yīng)用場景需求的無鈷產(chǎn)品?！?
蜂巢能源無鈷材料研發(fā)負責人認為，“未來鎳錳酸鋰無鈷材料會繼續(xù)按照兩個方向發(fā)展：一個是低成本的無鈷電池；另一個是往高鎳（如Ni9系）方向發(fā)展。除此之外，無鈷富鋰錳也是一個方向，但這種技術(shù)路線面臨的挑戰(zhàn)比較多，如電壓、倍率都是問題，這種路線落地預(yù)計要在五六年后了”。
訪談中，小編還就無鈷電池材料供應(yīng)鏈、無鈷電池生產(chǎn)制造及產(chǎn)線要求等，與蜂巢能源相關(guān)技術(shù)人員進行了廣泛交流，限于篇幅原因，就不再贅述，感興趣的朋友可以留言交流。
