降钴是主流,但别被“无钴”带跑偏

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2020/05/23

“电池技术革新确实是一个相对缓慢的事情。”


文丨王小西

编辑丨小叮当


“无钴”电池掀起的汹涌浪潮所创造的宣传效果,仿佛“新生活”就在眼前。但是,我们认真思考一下,对于“无钴”这个概念,就会心生疑窦。



什么叫“无钴”?磷酸铁锂也很“无钴”的好吧!如果不界定清楚范围,这个说法很容易把人带偏。而特斯拉凭借强大的“带货能力”,将“无钴”概念的火星点燃,“燎”起了一轮强关注,但是特斯拉打了个擦边球就闪了。我们没等着特斯拉,却等来了蜂巢。


蜂巢能源科技公司5月18日抢先亮相了两款无钴电池。说起来很牛,这两款电池使用了NMX无钴材料,提供了高循环寿命、高安全性和高能量密度的技术优势。


第一款产品是是基于590模组的电芯设计,容量为115Ah,电芯的能量密度达到245wh/kg。由于是在通用化电芯尺寸设计基础上完成,所以能够搭载到目前大部分新的纯电平台上,并宣称能够实现15年120万公里质保。而第二款是正在与长城合作开发的一款产品,是L6薄片无钴长电芯,容量226Ah,通过矩阵式PACK设计,可以实现880公里的续航里程。



按照蜂巢能源董事长杨红新介绍,两款“无钴”电池最早2021年6月能够量产。无疑,如果这种技术正式落地的话,能真正跨越里程焦虑。不过,既然还有一年以上时间才能量产,我们不妨来观察一下,这个“无钴”的含金量到底有多高?


 “无钴”如何做到


这次发布虽说无异于“亮剑”,但是细节方面还是要推敲一下。此外,我们不能忘记,宁德时代也有自己的“无钴”技术储备,这是宁德时代5月11日发布2019年业绩时候透露的,但宁德时代还是比较谦虚,没有讲更多信息。


回头来说,现在车企主要用的三元锂电池为什么要用到钴?做到“无钴”难度在哪里?(提前交待一下,有些基础的知识,比如钴的储量情况、NCM还是NCA、523/622/811啥的,请先自行百度一下哈,我们直接说重点。)


实际上,钴的作用就是为了抑制锂电池的“镍锂混排”现象。因为,如果发生“镍锂混排”现象,那么三元锂电池里面的微观结构可能就彻底发生混乱,会导致电池寿命和容量大幅缩短,甚至发生其它危险。


除此之外,钴还可以降低材料的阻抗值,提高材料电子电导率,改善倍率性能、降低电芯内阻等等,原则上是不可替代的。而且,因为钴太贵了,就算因为特斯拉的缘故大跌,电解钴现在也要25万元/吨,而且储量少又架不住不断增长的需求,所以特斯拉这种能狠心烧钱的主,才想着把钴给去了。


那么,蜂巢是通过什么手段来达到“无钴”的呢?


第一个,是阳离子掺杂技术。也就是通过提高材料的上限电压,将能量密度提高40%(相比磷酸铁锂)。蜂巢说自己采用了“两种化学键能更大的元素”来替代钴,可以在4.3~4.35V高电压下稳定工作,能量密度提高而且成本降低。


第二个是单晶技术。单晶的颗粒强度更强,结构更加稳定,耐压力强度可以提高10倍。这么说吧,单晶电芯寿命可以比多晶高镍三元高出70%。这次综合来看,就像蜂巢能源市场总监郝雷明确认的,是用了尖晶镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)做正极材料。



其实,之前就有很多人尝试用包括尖晶镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O4在内的尖晶石锰酸锂LiMn2O4、富锂锰基Li2MnO3、镍酸锂LiNiO2等正极材料来替代钴,不过大多数正极材料在高温性能、能量密度和循环寿命上不如三元锂电池。


第三个算是黑科技——纳米网络化包覆。通过在单晶表面包覆一层纳米氧化物,可以减少正极材料与电解液的副反应,有效改善高电压下的材料循环性能。


但是,由于蜂巢对这三项技术没有提供更多的细节,我们只有等明年量产以后才能验证。


还有一个非常现实的匹配问题要解决,就像真锂研究总裁墨柯说的,“镍锰酸锂材料最大的问题是目前还找不到与之匹配的电解液体系。现有的六氟磷酸锂电解液体系因为电压不够5伏会被分解,电池也会随之失效。”蜂巢选择镍锰进行“无钴”突破,匹配的难度应该不会不考虑吧?



此外,我们从蜂巢的“技术创新曲线”上可以看出,到2022年“无钴”电池的能量密度才能超过三元锂电池,所以,我们不用期望太高。而且,2022年,真正的竞争对手会来。


“无钴”还是“四元”?


要说“无钴”是颠覆性技术,恐怕谈不上。为什么这么说?因为,“无钴”从技术上来说难度很大。早就有国内外专家说过,“钴元素在三元材料中短期内无法完全消除替代。”而且,前瞻技术研发和量产落地是两回事,毕竟NCM811电池都才刚开始应用。


根据研究机构EVTank最新的数据,今年1~4月国内三元锂电池装机量占比升至72.87%,而磷酸铁锂电池(LFP)进一步跌至22.93%,锰酸锂电池(LMO)以及其他电池加起来占的比例不足5%。所以,三元锂电池目前的地位还是非常稳固的。


此外,2月份的一次业内座谈会上,行业人士也就特斯拉的“无钴”说法进行了探讨,并认为:



首先,特斯拉所讲的“无钴电池”大概率指的是磷酸铁锂(LFP),包括国外媒体也已经确认过这件事。而且,就算特斯拉真的用“无钴”正极材料锂电池,年减少的钴用量不过几百吨。而2020年全球钴消费量预计增长11%至14.8万吨,2020~2025年期间预计保持7%左右的年均增速,因此特斯拉的技术路线变化,其实对钴消费的整体影响相对有限。


其次,现阶段国内没有一家企业可以实现真正意义的无钴正极材料的批量化生产和销售。而行业人士也认为,特斯拉选用磷酸铁锂主要是基于成本考虑,并不意味着三元电池的性能存在问题。换芯后,低配版Model 3预计电池成本将下降20%~30%,初期整车成本预计下降2万元以上。这也意味着其售价会降到25万元左右。


此外,我们不仅要看蜂巢这样的国内电池企业在做什么,也要看看它们的国际对手们在做什么。事实上,更多企业正在布局镍钴锰铝(NCMA)“四元”锂电池。而领军的通用汽车,今年3月公布了自主研发的Ultium动力电池包。


Ultium应该算是第一种将量产的NCMA四元锂电池,通过加入铝,可以将电池中的钴含量降低约70%,这种电池包容量比传统圆柱形电池包多20倍,续航里程可达到400英里(约650公里)或更高。而且,为顺利实现推进产能建设,通用汽车与LG化学合资23亿美元(约合人民币162亿元)成立合资公司Ultium Cells LLC,来进行联合研发和生产。



而根据去年7月份的“蜂巢能源品牌战略规划及产品发布会”的内容,蜂巢自己也在开发NCMA四元锂电池的项目,但是还处于概念性阶段,2018年9月蜂巢公司立项,当时预计2019年年底完成材料的前期开发,2020年12月计划完成材料的确定,并预计在2022年11月达到四元电芯商品化量产。从时间上来说,会比“无钴”还要慢一些。


但不管怎么说,四元锂电池一旦成功量产,冲击性还是很高的。电池组的成本也能降低很多,将会下降至100美元/kWh(约合694元/kWh),也就是真正能对抗燃油车成本的终极目标价格。这对于蜂巢发布的“无钴”镍锰酸锂电池来说,可能是最重要的对手。


中国科学院物理研究所李泓博士说过,“电池是一个很复杂的体系,一个新材料的商业化,必须要所有配套材料同步革新,这本身就是一个相对复杂、长周期的开发;而产品开发完成后,还有小试、中试、量产,期间不断修正也是一个漫长过程,因此,电池技术革新确实是一个相对缓慢的事情。”



同样我们来看蜂巢,虽然已经完成了“无钴”电池的技术攻关,目前还只是一个“概念产品”,从过程来说,“无钴”电池去年年底完成材料开发工作,今年3月完成材料体系优化和4月的材料中试,发布会以后,要到8月体系定型,再经过各种可靠性及性能等验证之后,2021年11月实现无钴电芯量产,速度已经算是相当快的了。


因此,“无钴”电池的落地需要1~2年时间是毋庸置疑的,过于高调的宣传会适得其反,我们在此之前还是应该踏踏实实地做好基础工作。再说,无论是“四元”电池还是“无钴”电池,都不是最终的解决方案。我们可以看看蜂巢的技术发展曲线图,最终它的目标还是要走到固态电池上去的。


王小西

比天空更辽阔的……

THE END

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