导语:
三电,电动势新能源汽车技术科普栏目。
作者:小龙
出品:电动势(wxid-dianxiaoer01)
近几个月,有关动力电池“无钴”的话题被推到高点。
2020年2月,有消息称特斯拉与宁德时代在洽谈可能使用无钴电池。
2020年5月11日,宁德时代发布说明会表示,除磷酸铁锂外,他们还一直有“无钴电池”的技术储备。
2020年5月18日,蜂巢能源(前身为长城汽车动力电池事业部)率先发布了基于全新NMx正极材料打造的无钴电池产品。
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。
2021年8月29日,第二十四届成都国际车展开幕。蜂巢能源在展会上举行发布会,宣布其开发的全球首款无钴电池包正式搭载长城欧拉首款SUV车型樱桃猫,实现量产装车,引发行业强烈关注。
图1 蜂巢能源发布的无钴电池
如此火爆的无钴电池是不是说明动力电池行业从此进入无钴时代呢?无钴电池能否占据动力电池市场C位?磷酸铁锂电池和三元锂电池是否会失去其主导地位呢?
要搞清楚这些,得从以下几个方面来解析:
1、无钴电池具体是指什么?
无钴电池,顾名思义就是不含钴元素的电池。锂电池的关键物质有正负极、隔膜、电解液,而决定电池性能的关键要素,就是正负极的材料,目前95%以上的电池负极是石墨,几乎没有区别。但是正极材料就有很多种,钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元锂(镍钴锰酸锂NCM、镍钴铝酸锂NCA)等,不同的正极材料不仅影响了电池的性能,甚至直接决定了这款锂电池的命名。
因此,只要是锂电池的正极材料中不含钴元素,都可以被叫做无钴电池。尽管磷酸铁锂电池不含钴,属无钴电池,但反过来说,无钴电池并不局限于磷酸铁锂。如果三元锂电池将正极(NCM、NCA)中的钴(Co)元素完全替换掉,也可以叫做无钴电池。
2、为什么要开发无钴电池?
钴元素作为三元锂电正极材料之中的重要组成部分,并不参与电化学反应,其作用在于提供稳定材料的层状结构, 而且可以提高材料的循环和倍率性能。钴由于受制于蕴藏量与开采量,使其成为战略性的稀有金属资源。由于钴是最昂贵的元素材料,国际市场价格极其不稳定,并长期保持在高位。正极材料中的钴元素大约占整个电池成本的一半,比镍、锰和铝加在一起还贵。
根据美国地质调查局2020年数据显示,目前探明的全球钴资源储量仅为692 万吨,且属于不可再生资源。全球钴的资源储量高度集中,主要分布在刚果(金)、 澳大利亚、古巴3个国家。刚果(金)的钴储量为360万金属吨,占全球钴储量的52%,居世界第1。在刚果(金)境内的稀有金属开采与冲突的武装组织有关,导致该地区长期不稳定,致使钴价波动幅度较大。过去20年,钴价高幅达到约48美元/磅(折合人民币约86万元/t),低幅跌到8美元/磅(折合人民币15万/t),价格差距高达6倍,且出现多次暴涨暴跌的现象。2021年初开始,在新冠疫情、全球大范围经济刺激计划和全球电动车需求超预期的影响下,价格又一次快速上涨。
全球汽车电动化进程不断加速,可以想象,倘若一种原材料储量有限,那它的价格就会不断攀升。基于此背景,为了摆脱资源的约束,同时降低成本,全球电池供应商、车企都在想方设法减少钴在三元锂电中的含量。无钴是车企追求的终极目标。在提高正极之中镍比例的同时,降低钴含量,是提升电池能量密度和降低成本的好方法。“高镍低钴”成为现阶段的大势。
目前,比亚迪计划在今年年底前将镍钴锰的比例调整至8:1:1。松下汽车电池部门的负责人表示,钴在其三元电池中的比例已经降到3%,未来希望将钴在三元电池中的含量降至零,这项技术已经在研发当中。五月初,特斯拉宣布其Model 3安装的电池已经极大地降低了钴的含量,与此同时提高了镍的含量,从而达到了有史以来最高的能量密度,并且实现了超强的耐热性。日前,特斯拉CEO马斯克在社交媒介上表示,在特斯拉Model3的电池中,含钴量已经降到不到3%。他们将继续改进技术,争取在下一代电池中完全抛弃钴,改变“带血的电池”的名声。
图2 2002—2021年Fastmarket 标准级钴低幅价格趋势图
3、蜂巢能源发布的无钴电池是什么?
不同于其他电池企业的“少钴”电池,蜂巢能源正式对外推出的是“0”钴电池新产品:115 Ah和L6薄片无钴长电芯,是全球首家成功研发出无钴电池的企业。无钴化技术需要面对不少科研难关,而并非仅仅去掉钴元素这么简单。蜂巢能源发布的无钴电池,有三项关键技术,其一利用离子掺杂技术,即采用两种化学键能更大的元素掺杂到材料中替代钴。另外两种技术是单晶技术和纳米网络化包覆。
相比同级别的高镍三元电池,蜂巢无钴电芯具有高安全性、高能量密度、高循环寿命和低成本的核心优势。115 Ah能量密度达到245 Wh/kg,能够实现15年120万公里的质保。L6薄片无钴长电芯容量为226 Ah,预计可以实现880公里的续航能力。循环寿命可达3000次以上,能轻松通过150℃的热箱测试和140% SOC的过充测试,并拥有多项国际标准认证。
4、展想
作为全球最大的新能源汽车消费市场也是最大的钴产品消费国,中国已探明的钴储量仅为8万吨,占全球总储量的1．14%,这就意味着我们要想大力发展新能源产业如果没有解决钴资源的有效方案,就只能依赖进口,这也是目前我国锂电池行业面临的最大的资源“卡脖子”难题。
无钴电池的推出,确实将给产业链带来重大变革,这并不是说动力电池的技术路线会大受影响,如今只是开端。磷酸铁锂、三元锂电池技术路线仍然是主流。随着宁德时代、比亚迪等头部企业研发的新技术的加持,磷酸铁锂、三元锂电的能量密度将会逐渐提升。但对于新能源汽车产业、动力电池行业,无钴电池是技术的巨大进步。对于国内外行业竞赛者,这也将形成正面的压力。尤其对于中国电池企业来说, 众所周知,长期以来电池材料的基础创新和核心专利基本被掌握在欧美和日韩国家手中, 中国锂电产业虽然在规模体量上领跑全球, 但在基础材料创新上长期以来“步人后尘”。对此中国迫切需要一些原创性创新, 因为现在的市场竞争就是专利之战、专利之争。如果是做传统的电池技术, 那专利也是在美国。而我们自己开发的无钴电池技术, 突破了美国的专利。
中国作为新能源汽车的主导市场,未来伴随补贴的全部退坡,政策对技术路线影响会越来越小,市场机制选择下终将回归到技术、成本等本身。动力电池“去钴化”已成全球行业共识。在全球电动化快速发展的大潮下, 钴资源的稀缺将严重威胁电动汽车的供应链安全。无钴技术让行业摆脱钴作为稀有资源, 面临的价格高、资源少、受牵制的风险, 有助于全球动力电池行业摆脱对钴资源的长期依赖, 同时还可助力动力电池明显降本。蜂巢能源有针对性提出全新的无钴电池产品解决方案着实可谓勇气可嘉。相信随着中国新能源企业研发能力的不断攀升,越来越多的掐脖子技术会被我们一一克服!
