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三電,電動勢新能源汽車技術科普欄目。

出品:電動勢(wxid-dianxiaoer01)

近幾個月,有關動力電池“無鈷”的話題被推到高點。

2020年2月,有消息稱特斯拉與寧德時代在洽談可能使用無鈷電池。

2020年5月11日,寧德時代發布說明會表示,除磷酸鐵鋰外,他們還一直有“無鈷電池”的技術儲備。

2020年5月18日,蜂巢能源(前身為長城汽車動力電池事業部)率先發布了基于全新NMx正極材料打造的無鈷電池產品。

2021年7月16日,蜂巢能源在江蘇舉行了首款無鈷電池量產下線儀式。這意味著全球首款無鈷電池走出實驗室, 正式實現量產, 蜂巢能源由此成為全球首家突破無鈷電池技術難關, 成功實現產品量產的動力電池企業。

2021年8月29日,第二十四屆成都國際車展開幕。蜂巢能源在展會上舉行發布會,宣布其開發的全球首款無鈷電池包正式搭載長城歐拉首款SUV車型櫻桃貓,實現量產裝車,引發行業強烈關注。

圖1 蜂巢能源發布的無鈷電池

如此火爆的無鈷電池是不是說明動力電池行業從此進入無鈷時代呢?無鈷電池能否占據動力電池市場C位?磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是否會失去其主導地位呢?

要搞清楚這些,得從以下幾個方面來解析:

1、無鈷電池具體是指什么?

無鈷電池,顧名思義就是不含鈷元素的電池。鋰電池的關鍵物質有正負極、隔膜、電解液,而決定電池性能的關鍵要素,就是正負極的材料,目前95%以上的電池負極是石墨,幾乎沒有區別。但是正極材料就有很多種,鈷酸鋰(LCO)、錳酸鋰(LMO)、磷酸鐵鋰(LFP)、三元鋰(鎳鈷錳酸鋰NCM、鎳鈷鋁酸鋰NCA)等,不同的正極材料不僅影響了電池的性能,甚至直接決定了這款鋰電池的命名。

因此,只要是鋰電池的正極材料中不含鈷元素,都可以被叫做無鈷電池。盡管磷酸鐵鋰電池不含鈷,屬無鈷電池,但反過來說,無鈷電池并不局限于磷酸鐵鋰。如果三元鋰電池將正極(NCM、NCA)中的鈷(Co)元素完全替換掉,也可以叫做無鈷電池。

2、為什么要開發無鈷電池?

鈷元素作為三元鋰電正極材料之中的重要組成部分,并不參與電化學反應,其作用在于提供穩定材料的層狀結構, 而且可以提高材料的循環和倍率性能。鈷由于受制于蘊藏量與開采量,使其成為戰略性的稀有金屬資源。由于鈷是最昂貴的元素材料,國際市場價格極其不穩定,并長期保持在高位。正極材料中的鈷元素大約占整個電池成本的一半,比鎳、錳和鋁加在一起還貴。

根據美國地質調查局2020年數據顯示,目前探明的全球鈷資源儲量僅為692 萬噸,且屬于不可再生資源。全球鈷的資源儲量高度集中,主要分布在剛果(金)、 澳大利亞、古巴3個國家。剛果(金)的鈷儲量為360萬金屬噸,占全球鈷儲量的52%,居世界第1。在剛果(金)境內的稀有金屬開采與沖突的武裝組織有關,導致該地區長期不穩定,致使鈷價波動幅度較大。過去20年,鈷價高幅達到約48美元/磅(折合人民幣約86萬元/t),低幅跌到8美元/磅(折合人民幣15萬/t),價格差距高達6倍,且出現多次暴漲暴跌的現象。2021年初開始,在新冠疫情、全球大范圍經濟刺激計劃和全球電動車需求超預期的影響下,價格又一次快速上漲。

全球汽車電動化進程不斷加速,可以想象,倘若一種原材料儲量有限,那它的價格就會不斷攀升。基于此背景,為了擺脫資源的約束,同時降低成本,全球電池供應商、車企都在想方設法減少鈷在三元鋰電中的含量。無鈷是車企追求的終極目標。在提高正極之中鎳比例的同時,降低鈷含量,是提升電池能量密度和降低成本的好方法。“高鎳低鈷”成為現階段的大勢。

目前,比亞迪計劃在今年年底前將鎳鈷錳的比例調整至8:1:1。松下汽車電池部門的負責人表示,鈷在其三元電池中的比例已經降到3%,未來希望將鈷在三元電池中的含量降至零,這項技術已經在研發當中。五月初,特斯拉宣布其Model 3安裝的電池已經極大地降低了鈷的含量,與此同時提高了鎳的含量,從而達到了有史以來最高的能量密度,并且實現了超強的耐熱性。日前,特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示,在特斯拉Model3的電池中,含鈷量已經降到不到3%。他們將繼續改進技術,爭取在下一代電池中完全拋棄鈷,改變“帶血的電池”的名聲。

圖2 2002—2021年Fastmarket 標準級鈷低幅價格趨勢圖

3、蜂巢能源發布的無鈷電池是什么?

不同于其他電池企業的“少鈷”電池,蜂巢能源正式對外推出的是“0”鈷電池新產品:115 Ah和L6薄片無鈷長電芯,是全球首家成功研發出無鈷電池的企業。無鈷化技術需要面對不少科研難關,而并非僅僅去掉鈷元素這么簡單。蜂巢能源發布的無鈷電池,有三項關鍵技術,其一利用離子摻雜技術,即采用兩種化學鍵能更大的元素摻雜到材料中替代鈷。另外兩種技術是單晶技術和納米網絡化包覆。

相比同級別的高鎳三元電池,蜂巢無鈷電芯具有高安全性、高能量密度、高循環壽命和低成本的核心優勢。115 Ah能量密度達到245 Wh/kg,能夠實現15年120萬公里的質保。L6薄片無鈷長電芯容量為226 Ah,預計可以實現880公里的續航能力。循環壽命可達3000次以上,能輕松通過150℃的熱箱測試和140% SOC的過充測試,并擁有多項國際標準認證。

4、展想

作為全球最大的新能源汽車消費市場也是最大的鈷產品消費國,中國已探明的鈷儲量僅為8萬噸,占全球總儲量的1．14%,這就意味著我們要想大力發展新能源產業如果沒有解決鈷資源的有效方案,就只能依賴進口,這也是目前我國鋰電池行業面臨的最大的資源“卡脖子”難題。

無鈷電池的推出,確實將給產業鏈帶來重大變革,這并不是說動力電池的技術路線會大受影響,如今只是開端。磷酸鐵鋰、三元鋰電池技術路線仍然是主流。隨著寧德時代、比亞迪等頭部企業研發的新技術的加持,磷酸鐵鋰、三元鋰電的能量密度將會逐漸提升。但對于新能源汽車產業、動力電池行業,無鈷電池是技術的巨大進步。對于國內外行業競賽者,這也將形成正面的壓力。尤其對于中國電池企業來說, 眾所周知,長期以來電池材料的基礎創新和核心專利基本被掌握在歐美和日韓國家手中, 中國鋰電產業雖然在規模體量上領跑全球, 但在基礎材料創新上長期以來“步人后塵”。對此中國迫切需要一些原創性創新, 因為現在的市場競爭就是專利之戰、專利之爭。如果是做傳統的電池技術, 那專利也是在美國。而我們自己開發的無鈷電池技術, 突破了美國的專利。

中國作為新能源汽車的主導市場,未來伴隨補貼的全部退坡,政策對技術路線影響會越來越小,市場機制選擇下終將回歸到技術、成本等本身。動力電池“去鈷化”已成全球行業共識。在全球電動化快速發展的大潮下, 鈷資源的稀缺將嚴重威脅電動汽車的供應鏈安全。無鈷技術讓行業擺脫鈷作為稀有資源, 面臨的價格高、資源少、受牽制的風險, 有助于全球動力電池行業擺脫對鈷資源的長期依賴, 同時還可助力動力電池明顯降本。蜂巢能源有針對性提出全新的無鈷電池產品解決方案著實可謂勇氣可嘉。相信隨著中國新能源企業研發能力的不斷攀升,越來越多的掐脖子技術會被我們一一克服!