中國粉體網訊 特斯拉在和比亞迪及寧德時代合作以前，一直使用的都是松下提供的三元電池（NCA），其中含有鈷元素。在2019年的特斯拉財報電話會議上，馬斯克提到可以把鈷的使用量降到零。自從那以后，特斯拉將推出無鈷電池的概念誕生了，這條信息經過媒體的傳播不斷得到強化。
無鈷電池概念大火后，很多企業(yè)都想分一杯羹。2020年年初特斯拉放出消息，將采購寧德時代的“無鈷電池”，后被證實，此無鈷，其實是磷酸鐵鋰電池；3月份比亞迪發(fā)布刀片電池，本質上仍是磷酸鐵鋰電池，但電池容量有所提升，成本大幅降低；5月18日蜂巢能源召開發(fā)布會率先宣布推出NMx無鈷電池，成為全球第一家成功研發(fā)出無鈷電池的企業(yè)。
▲蜂巢能源無鈷電池發(fā)布會
1、何為鈷
眾所周知新能源汽車最大的成本在于動力電池，在占據市場主導地位的三元鋰電池中，相對于電池組需求最多的鎳元素，鈷元素所對應的運用意義往往被人忽略。鈷元素作為元素周期表中第4周期、第Ⅷ族，鈷在常溫下不和水作用，在潮濕的空氣中也很穩(wěn)定。鈷金屬元素提煉一般來源于鈷銅礦以及在濕法冶煉過程中出現的鈷中間產品。提煉產品中，金屬鈷以及草酸鈷和碳酸鈷提取成的鈷粉，主要用于高溫合金、硬質合金、磁性材料和催化劑；氧化鈷用于玻璃和彩瓷這部分傳統(tǒng)需求領域。氯化鈷和硫酸鈷提煉產品分為兩部分：一是四氧化三鈷，作為鈷酸鋰電池的原材料，應用于3C消費電子領域；二是制造三元前驅體，作為三元正極的原材料，應用于動力電池。特別是在鋰離子電池中，無論是鎳鈷錳酸鋰（NCM）還是鎳鈷鋁酸鋰（NCA），鈷都是組成電池正極材料必不可少的一種金屬，它在三元聚合物中起到一個維持基礎結構穩(wěn)定，以及提高材料的循環(huán)和倍率性能、降低電芯內阻等重要作用。
既然鈷的作用這么大，那么為何近幾年電池企業(yè)都在追求“無鈷化”？答案其實很簡單粗暴，因為鈷的全球儲量有限，價格昂貴。據統(tǒng)計，2019年全球鈷礦儲量在700萬噸左右，其中有一半以上在剛果（金），由于當地的政局長期處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導致鈷礦出口存在極大不確定性。另外，全球范圍內新能源汽車的高速發(fā)展，再加上目前5G手機普及度的提升，對于鈷的需求量日益加大，預計2026年以后，鈷將供不應求。導致其價格進一步水漲船高，居高不下，眾多的企業(yè)稱之為“鈷奶奶”，因此去鈷化成為眾多動力電池企業(yè)共同的選擇。
▲鈷產業(yè)鏈結構圖
2、無鈷時代
目前，輿論對于“無鈷電池”的概念意見并不統(tǒng)一。有觀點認為無鈷電池指的并非本身就不含鈷的電池，如磷酸鐵鋰電池等，而是鈷被取代后的三元鋰電池；當然也有觀點與之相反，認為既然叫“無鈷電池”，那只要是不含鈷的電池，都可以這么來定義。小編其實比較認同第一種觀點，所謂的“無鈷”應該是相較于有鈷背景下的一種優(yōu)化。不過雖然解讀各有所指，但其核心思想是一致的，在保證動力電池各方面性能的同時，降低生產成本。降鈷、去鈷目前已成為實現全固態(tài)電池行業(yè)的發(fā)展方向。
2.1 關于比亞迪
比亞迪一直深耕磷酸鐵鋰電池技術路線，推出了基于自家GCTP技術和磷酸鐵鋰電芯研發(fā)出來的“刀片電池”，其體積能量密度相比傳統(tǒng)鐵電池提升了50%，與主流三元鋰電池持平，同時成本下降了30%，更重要的是，“刀片電池”安全性也遠高于三元鋰電池，這一點從之前網絡熱議的“針刺試驗”便可見一斑。國內電池領域的另一巨頭，寧德時代同樣選擇了采用CTP設計的磷酸鐵鋰電池，并且收獲了特斯拉的大單，未來將應用在國產特斯拉Model3上。
▲比亞迪刀片電池
實際上，比亞迪和寧德時代的電池技術方案本質是一樣的，都選擇了基于磷酸鐵鋰電池發(fā)展“無鈷電池”的技術路徑。通過優(yōu)化電池包的空間利用率、減輕電池包重量和模組環(huán)節(jié)成本來實現降低整體成本的目的，同時還可以提高電池組的體積能量密度和電池包能量密度。簡單來說，就是跳過電池模組，直接將電芯安裝在PACK里，盡可能簡化模組。
但如果實現無鈷的途徑是“換道”磷酸鐵鋰電池，個人認為是不成立的。因為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是并行，互相看不上眼的兩條路線。
2.2 關于特斯拉
2019年5月，特斯拉宣布完成對Maxwell的收購。Maxwell是全球著名的超級電容制造商，在業(yè)界看來，特斯拉收購Maxwell并不想用超級電容代替鋰電池，而是看中了生產超級電容的干法技術。
▲Maxwell超級電容
相比于傳統(tǒng)鋰電池生產方法，使用干電極技術有諸多好處。超級電容不受鋰、鈷、鎳等貴金屬資源限制，主要原材料是活性炭，這種物質主要來源于椰殼等自然界生物質通過活化制成。此外干法工藝可以顯著增加極片活性物質的負載量，從而有效提升儲能器件能量密度。
馬斯克在財報電話會議上說“可以把鈷的使用量降到零”，或許是想通過干法技術擺脫鈷元素的束縛。據特斯拉評估，該工藝如果應用于鋰離子電池，在現有體系條件下可將鋰離子電池能量密度提升10％～30％以上。既不使用鈷元素，又能提升電池性能，這是一件兩全其美的事情。
特斯拉搭載寧德時代LFP也是無奈之舉，終究只是過渡方案。特斯拉很有可能與寧德時代簽署某項合作，技術共享共同研發(fā)無鈷電池，這項合作，也能幫助馬斯克，用一個理想的價格從寧德時代采購LFP。
2.3 關于蜂巢能源
蜂巢能源推出的兩款無鈷電池更符合大多數人對于“無鈷電池”的定義，去除三元鋰電池中的鈷，提高其中Mn的含量，其實就是鎳錳酸鋰電池。就電池本身而言，這不是一項新技術。畢竟，早在20年前，業(yè)界對這一技術已有研究，也有車用。只是，蜂巢能源對這一技術進行了深度優(yōu)化。
鎳錳酸鋰電池屬于錳酸鋰系列，事實上，除了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之外，動力電池還有“第三條路線”可選，即錳酸鋰系列�；瘜W式為LiNi0.5Mn1.5O4，是由Ni取代錳酸鋰（化學式LiMn2O4）中的部分Mn形成的，與錳酸鋰有著同樣的晶體結構。我們能夠見到的紐扣電池用的也是這種正極材料。
蜂巢能源選擇錳酸鋰路線，并沒有問題，因為這本就是一種路線選擇，而且這個路線比三元電池出現的還要早。但是，“無鈷電池”的稱謂被部分媒體濫用了，其實在無形中“貶低”了三元鋰電池。
▲蜂巢能源無鈷電池
此前Jeff Dahn團隊通過實驗表明三元材料中鈷元素并非不可替代，通過適當的摻雜處理能夠很好的穩(wěn)定三元材料的晶體結構，提升三元材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
無鈷之后，蜂巢能源的電池依靠什么技術穩(wěn)定電池材料的結構？蜂巢能源的相關人士表示，主要通過陽離子摻雜和單晶技術。摻雜技術是采用與氧化學鍵鍵能高的陽離子摻雜到晶體結構中，這樣有利于高電壓下脫鋰后結構穩(wěn)定。單晶技術比傳統(tǒng)的球形多晶顆粒具有更高的顆粒強度，有利于改善安全性和循環(huán)性能。使用納米網絡包覆，這樣材料更均勻包覆，減少與電解液的副反應，提升循環(huán)壽命。
該相關人士進一步表示，之前無鈷電池已做過各種測試，結果表明無鈷電池的安全性優(yōu)于三元電池，接近磷酸鐵鋰電池。例如，無鈷電池可以輕松通過150℃熱箱試驗，而三元電池一般標準下只能達到130℃左右。
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(yè)。
▲長城歐拉櫻桃貓
據了解，本次量產下線的無鈷電池是一款能量密度為240wh/kg，容量為 115Ah-MEB產品，將搭載在長城歐拉櫻桃貓車型上，NEDC工況下續(xù)航里程最高有望超550公里。
根據規(guī)劃，該款無鈷電池將于年底前在其馬鞍山基地大批量下線。
3、寫在最后
不可否認的是，電池“無鈷化”已經成為動力電池行業(yè)的大勢所趨，其本質就是為了降低成本。不管是磷酸鐵鋰電池，還是鎳錳酸鋰，亦或其他一些新型技術路線，關鍵在于能否尋找到替代鈷在動力電池中支撐作用的方案。但動力電池“無鈷”是否就意味著可以進一步降低成本，對于電池循環(huán)次數影響有多大，以及電池結構穩(wěn)定性等問題尚需評估。有業(yè)內專家認為，無鈷電池大規(guī)模量產短期內很難實現，仍需技術上有所突破，畢竟前沿技術研發(fā)和最終實現量產不可一概而論，比較理想的發(fā)展軌跡就是部分車型率先應用低鈷或無鈷電池。
資料來源：
搜狐、樂晴智庫、車質網、中國汽車畫報、知乎、連線新能源、威騰網
（中國粉體網編輯整理/長安）
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