中國(guó)儲(chǔ)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(huì)想到，二十年后，一家來(lái)自中國(guó)的企業(yè)即將把這個(gè)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬出來(lái)。
“網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)了‘無(wú)鈷就是磷酸鐵鋰’的解讀，我們要來(lái)正名，蜂巢能源的無(wú)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(kāi)場(chǎng)白，似曾相識(shí)。
今年2月18日，特斯拉將研發(fā)無(wú)鈷電池的消息不脛而走，一時(shí)間資本市場(chǎng)被激起層層浪花，鈷元素相關(guān)股票紛紛大跌，“對(duì)面兒”的磷酸鐵鋰電池概念股卻應(yīng)聲大漲。然而沒(méi)過(guò)兩天，特斯拉在一次回復(fù)用戶時(shí)表示，“請(qǐng)留意4月（或推遲至6月）的電池發(fā)布會(huì)，無(wú)鈷，不代表一定是磷酸鐵鋰?！?
三個(gè)月后，蜂巢能源率先出牌了。
蜂巢能源發(fā)布了兩款無(wú)鈷電池，第一款無(wú)鈷電池基于590模組的電芯設(shè)計(jì)，容量為115安時(shí)，電芯能量密度達(dá)到245瓦時(shí)/公斤。它是在通用化電芯尺寸設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完成的，能夠搭載到目前大部分新的純電平臺(tái)上，在整車(chē)端能夠?qū)崿F(xiàn)15年120萬(wàn)公里的質(zhì)保，預(yù)計(jì)在2021年6月份推向市場(chǎng)。
第二款是L6薄片無(wú)鈷長(zhǎng)電芯，容量226安時(shí)，官方表示其正在與汽車(chē)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)，在矩陣式PACK設(shè)計(jì)支持下，是全球第一款可以實(shí)現(xiàn)880公里的續(xù)航里程的車(chē)型，預(yù)計(jì)可以在2021年下半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
“無(wú)鈷電池”已成大勢(shì)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(duì)于鋰電池安全性而言至關(guān)重要。
對(duì)于“無(wú)鈷”這個(gè)概念，楊紅新坦言：“無(wú)鈷材料并非蜂巢能源的獨(dú)創(chuàng)，人們?cè)跓o(wú)鈷材料的開(kāi)發(fā)道路上已經(jīng)持續(xù)走了20年，自從鈷酸鋰成為首個(gè)商業(yè)化的正極材料以來(lái)，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(jì)，2026年后鈷將供不應(yīng)求?！?
他說(shuō)得沒(méi)錯(cuò)，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(wú)鈷電池的0%。自去年7月蜂巢能源全球首發(fā)了無(wú)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(lái)，動(dòng)力電池“無(wú)鈷化”的風(fēng)口已至。
早在2018年，馬斯克就發(fā)布推特稱(chēng)，特斯拉的鈷使用量將從目前的3％降至0％。最近，特斯拉長(zhǎng)期合作伙伴Jeff Dahn教授團(tuán)隊(duì)表示，通過(guò)他們的實(shí)驗(yàn)，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(bào)道稱(chēng)，特斯拉和寧德時(shí)代正在開(kāi)發(fā)無(wú)鈷電池?！肮居凶约旱摹疅o(wú)鈷’電池技術(shù)儲(chǔ)備，目前研發(fā)進(jìn)展順利，正在想辦法搞好供應(yīng)鏈，因?yàn)槭且粋€(gè)全新的、顛覆性的產(chǎn)品。”在不久前的業(yè)績(jī)說(shuō)明會(huì)上，寧德時(shí)代表示。
此前據(jù)多家外媒報(bào)道，寧德時(shí)代一直在研究無(wú)鈷和低鈷電池技術(shù)，寧德時(shí)代的無(wú)鈷磷酸鐵鋰電池組成本已跌破80美元/千瓦時(shí)，電芯跌破了60美元/千瓦時(shí)，而低鈷三元電池組達(dá)到了驚人的100美元/千瓦時(shí)。
鈷元素被“排擠”的原因主要有二：稀缺、開(kāi)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(chǔ)量約為710萬(wàn)噸，區(qū)域分布卻十分集中，剛果(金)在全球鈷儲(chǔ)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(jī)大約會(huì)用到10克左右的鈷，特斯拉純電動(dòng)車(chē)大約每輛會(huì)用到13公斤的鈷?！睏罴t新舉了兩個(gè)很直觀的例子。
“稀缺”帶來(lái)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(jià)格，且波動(dòng)巨大。中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)王子冬表示：“電動(dòng)車(chē)的發(fā)展在延續(xù)鋰電池技術(shù)路線的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了很多問(wèn)題，比如熱失控、內(nèi)短等。電動(dòng)車(chē)用的電池和3C消費(fèi)電子類(lèi)用的電池體量完全不一樣，前者的個(gè)別電池出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)會(huì)出現(xiàn)連鎖反應(yīng)。并且，資源方面也出現(xiàn)了問(wèn)題，鈷的價(jià)格從8萬(wàn)/噸漲到了最高60萬(wàn)/噸，大家都在做努力降低鈷的占比。”
還有一點(diǎn)值得重點(diǎn)關(guān)注，即手挖礦和童工。從開(kāi)采、出口，再到權(quán)益斗爭(zhēng)，依靠鈷不僅無(wú)法改變國(guó)家貧窮的面貌，反而秩序愈發(fā)混亂不堪。一份來(lái)自國(guó)際赦免法庭“關(guān)于鈷貿(mào)易中侵犯人權(quán)行為”的報(bào)告中曾指出：兒童開(kāi)采的鈷，最終成為了蘋(píng)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(píng)果、Alphabet、微軟、戴爾以及特斯拉五家公司，在美國(guó)被國(guó)際人權(quán)組織提起聯(lián)邦訴訟。14名原告包括了開(kāi)采鈷礦時(shí)因隧道、墻壁坍塌等事故致殘或致死兒童的監(jiān)護(hù)人。并且，很多童工每天都會(huì)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(wú)鈷電池？
坦白講，三元材料和磷酸鐵鋰也確實(shí)“不爭(zhēng)氣”。
就現(xiàn)階段而言，動(dòng)力電池依舊處于“魚(yú)和熊掌”的時(shí)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(dòng)車(chē)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(lái)，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新來(lái)增加電池容量，無(wú)法規(guī)避增重問(wèn)題，會(huì)帶來(lái)電耗的增加。
蜂巢能源的薄片式無(wú)鈷電池，概括來(lái)說(shuō)，即通過(guò)單晶無(wú)鈷材料技術(shù)、疊片電芯設(shè)計(jì)技術(shù)、矩陣PACK設(shè)計(jì)技術(shù)和車(chē)規(guī)級(jí)Ai制造等方式，可實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程超過(guò)800公里，以及15年120萬(wàn)公里的長(zhǎng)使用壽命。
文章開(kāi)篇曾提到的鎳錳酸鋰，正是蜂巢能源無(wú)鈷電池的正極材料，這個(gè)材料之所以歷經(jīng)二十年都沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)室走出來(lái)，很大程度上是因?yàn)榇嬖陔y以逾越的難點(diǎn)。“比如+2價(jià)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(shuō)。
蜂巢能源的做法是，首先通過(guò)陽(yáng)離子摻雜技術(shù)提高材料的上限電壓，實(shí)現(xiàn)能量密度比磷酸鐵鋰高40%。同時(shí)，采用了兩種化學(xué)鍵能更強(qiáng)大的元素替代鈷，摻雜到材料中，通過(guò)強(qiáng)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(qiáng)的顆粒強(qiáng)度和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，耐壓力強(qiáng)度提高10倍，電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。
同時(shí)，蜂巢能源無(wú)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(guò)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(jì)"，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(jì)可以使無(wú)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(gè)是矩陣式PACK，其將電池包劃分為兩個(gè)矩陣網(wǎng)絡(luò)，將長(zhǎng)的薄片無(wú)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(dú)立，正常工況時(shí)能夠保證整個(gè)矩陣模塊的剛度，而在非常規(guī)極端工況下，比如側(cè)碰時(shí)，可以通過(guò)多個(gè)電芯分散撞擊力，保證電池包和整車(chē)安全，成組效率達(dá)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(wú)鈷電池正在和長(zhǎng)城高端車(chē)型進(jìn)行適配。
對(duì)于無(wú)鈷電池，王子冬認(rèn)為高性能并非第一課題，“無(wú)鈷電池對(duì)行業(yè)貢獻(xiàn)比較大，它的出現(xiàn)，我更希望在安全性、長(zhǎng)壽命、可靠性等方面做文章。并且，在無(wú)鈷的情況下，希望能把電壓平臺(tái)、能量密度、克容量拉高，來(lái)稀釋鎳材料成本的影響，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵?！睋?jù)官方介紹，蜂巢能源的無(wú)鈷電池已經(jīng)通過(guò)了國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)的全部安全性測(cè)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(guò)了150攝氏度的熱箱實(shí)驗(yàn)。
關(guān)于適配問(wèn)題，真鋰研究首席分析師墨柯也向懂車(chē)帝表達(dá)了自己的觀點(diǎn)，他認(rèn)為，無(wú)鈷電池短時(shí)間內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的可能性不大，但若開(kāi)始應(yīng)用，車(chē)型適配方面不會(huì)有太大問(wèn)題，“蜂巢能源所說(shuō)的適配可能更多指的是其車(chē)規(guī)級(jí)概念，也就是方形疊片電池，這種電池可以做到扁平狹長(zhǎng)，利于散熱，利于PACK設(shè)計(jì)。”
寫(xiě)在最后：
特斯拉自研電池、特斯拉與寧德時(shí)代合作研發(fā)電池、寧德時(shí)代CTP技術(shù)、比亞迪刀片電池、蜂巢能源無(wú)鈷電池......相信很多人都沒(méi)想到，今年上半年動(dòng)力電池技術(shù)的“競(jìng)賽”竟會(huì)如此精彩。無(wú)鈷電池從各方面看已堪稱(chēng)完美，但在車(chē)型適配、實(shí)際應(yīng)用表現(xiàn)等方面還需時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。談及開(kāi)放，據(jù)楊紅新透露，目前蜂巢能源已和兩家國(guó)際品牌在深入溝通適配的可能性，對(duì)方非常感興趣。
