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无钴电池简介和核心优势解读

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2021年7月16日,蜂巢能源首款无钴电池正式量产下线。蜂巢能源此次量产下线的无钴电池是能量密度为240wh/kg、容量为115Ah-MEB的产品,后续将安装在长城欧拉樱桃猫车型上。据蜂巢能源技术人员介绍,这款电池相比一般三元锂电池拥有高安全性、高能量密度、高循环寿命和低成本的核心优势。

那什么是无钴电池呢?下面就让我来为大家揭秘。

一,什么是无钴电池

无钴电池顾名思义,从物质结构来说,只要是电池材料中不含钴元素的电池,就可以称为无钴电池。虽然磷酸铁锂电池中也不含钴元素,但严格意义上来说,无钴电池主要还是针对去除掉三元锂电池中的钴元素的电池。看到这大家可能有点蒙圈了,直接不添加钴不就好了,加了之后还要费力气给它去掉。

二,为什么电池要加入钴

我们常用的锂电池按照正极材料来分有下面几种类型:有磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元镍钴锰(NCM)。其中钴酸锂、三元镍钴锰两种电池是含有钴元素的。在正极材料中添加钴不但可以抑制“镍锂混排”的现象,而且还可以降低材料阻抗值、提高材料电子电导率、改善倍率性能、降低电芯内阻等。用我们熟悉的话讲就是可以提高电池放电电流、提高充电功率、延长电池寿命、增加电池安全性。可以说钴全面地提高了三元锂电池的性能。下面让我从结构上给大家细讲。

三元锂(NCM/NCA)由于材料性质,在微观状态下是层状结构,如上图所示。镍(Ni)元素则搭建了可以嵌入锂离子的框架结构,提升了电池的能量密度,成就了三元锂电池最核心的优势容量。当电池充电时,层状结构的三元锂电池,由于锂离子从正极中脱落,电池内部开始变得不稳定,原本储存锂离子的地方可能会被镍元素“抢占”。这样导致电池放电时重新回到正极的锂离子就“无家可归”了,只能附着到原来镍的地方,这种现象就称为“镍锂混排”。而钴元素由于材料性质,它所搭建的框架更加稳定,可以保证镍元素随时呆在自己应该呆的位置,避免“镍锂混排”现象。

如果发生了“镍锂混排”现象,那么三元锂电池里面的微观结构就可能彻底混乱,会造成电池容量下降、电池寿命缩短、还可能发生其它危险。为了抑制这一现象,同时提高锂电池性能我们在三元锂电池中添加了钴元素。

三,为什么要无钴电池?

资源稀少,价格高

既然钴有这么多好处,那为什么各大电池厂家都在绞尽脑汁地要去掉它?大家都知道物以稀为贵,地壳中钴的平均丰度仅为0.0025%,不但分布分散,而且多为铜、镍和铁等矿种的伴生矿,其产量取决于相应铜镍矿的开采。据美国地质调查局统计,截至2019年底,全球已探明的钴矿储量仅为700万吨。几年前,钴的每千克的价格还不超过180元。但2017年第四季度以来,每千克钴上涨到了420元左右。2018年,钴的价格更是涨到了每千克650多元。目前钴的价格已经非常昂贵,占动力电池成本的10%左右。而一辆新能源车的三元锂电池包,含钴量可能就会达到10kg以上,如果不考虑回收和降低钴用量的话,到2026年,就会出现“无钴可用”的状态。

不但贵,供应不稳定

贵也就算了,大不了多花钱买呗。刚果(金)既是全球钴资源储量最多的国家,也是钴产量最高的国家,贡献了全球约70%的钴产量。但其最近几年动荡的政局影响着钴产量与价格,有时花钱也买不到。反观国内市场,我国的钴矿量仅为8万吨,占比仅为1.14%,在世界上根本排不上号,但却是世界上最大的钴消费国,对外依存度达到80%以上。钴不但在新能源汽车行业需要,而且在航空航天等诸多领域都有重要应用,是典型的战略资源。

能量提升的需要

既然贵,供应还不稳定那就去掉吧,不过用什么代替呢?之前我们提到过三元材料里面还有镍,这种材料在电池正极构成存储锂离子的笼子,含量越高越有利于电池容量的提升,而随着镍含量的增高,钴的含量就相应下降了。在追求更高的能量密度的电池浪潮下,使用更高的含镍量的三元材料是目前业内的共同的发展趋势,代表了产业升级的方向。追求容量提升和减少钴的用量不谋而合。

四,无钴电池怎么来的?

从动力电池中去除了钴元素,理论上讲可行,但实际上难度很大。去除了钴后,正极材料会变成二元镍锰酸锂或四元材料镍钴锰铝(NCMA)聚合物,材料的组分会发生很大改变,但框架结构保持不变。目前,LG化学、松下等电池巨头还无法量产无钴电池。之前说过钴在电池材料中主要起着稳定框架结构的作用,在去除钴之后,如何稳定电池的结构?为此,蜂巢能源提出了阳离子掺杂和单晶技术。什么是阳离子掺杂技术呢?在正极材料的制作时,将与氧化学键键能高的阳离子掺杂到晶体结构中去,加强框架结构的稳定性,这样有利于电池充满电后脱锂的结构稳定。

那么什么是单晶技术呢?目前量产的三元锂电池正极材料大多是由纳米级别的一次颗粒团聚形成的,10微米左右的二次球型多晶材料。多晶的本质就是大量的小单晶的集合体。打个比方,白砂糖和单晶冰糖都是蔗糖,白砂糖可以认为是多晶材料,单晶冰糖则可以认为是单晶材料。单晶材料比传统的球形多晶颗粒具有更高的颗粒强度,有利于改善安全性和循环性能。通过阳离子掺杂和单晶技术的两个关键技术的突破,蜂巢能源量产了无钴电池。

五,无钴电池的优势

能量密度高于磷酸铁锂

无钴电池的能量密度与三元锂电池相当,与磷酸铁锂电池相比具有高能量密度的优势。本次量产下线的无钴电池能量密度达到了240wh/kg。

成本下降

相比三元锂电池更安全

不止如此,由于无钴电池去掉了有着价格原罪的钴元素,与三元锂电池相比成本有明显下降,只会比磷酸铁锂电池高一点。
至于安全性方面,蜂巢能源表示无钴电池在安全上优于传统三元锂电池,与磷酸铁锂电池表现类似。举例来说,无钴电池可以轻松通过150℃的热箱试验,而传统三元锂电池一般情况下只能通过130℃的热箱。

六,意义

行业层面来说无钴电池不但可以降低贵金属钴元素的使用,降低材料和电池的成本,而且可以提升电池能量密度。从国家层面来说,钴作为稀有资源,面临的价格高、资源少、受牵制的风险。无钴电池可降低新能源行业对钴的需求,降低国家的资源风险。但是对于我们终端用户、普通消费者来说,在保证电池性能的同时,还能降低购买的成本,才是最大的福音。在成本、安全性、性能,三大方面有着优势的无钴电池,确实是锂电池产业发展的一个方向。

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