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「无钴」电池真的能无钴吗?

无钴电池

一、无钴是否可行?

欧美三级片 随着新能源汽车的快速发展,整个行业对锂Li、镍Ni、钴Co金属的需求会进一步增加,但是对于金属Co来说,全球矿藏储量非常有限,且集中分布于常年局势不稳的非洲国家刚果,学术界及产业界一直试图弄清楚Co在三元材料中的最低含量界限在哪里,尽量降低新能源汽车行业对金属Co的依赖。

欧美三级片 三元体系中,不同的元素在对材料的理化性能意义也不同。三元材料鼻祖J. R. Dahn认为目前还没有确凿的证据清楚地表明镍含量高(例如,当1-x-y>0.9)的NCA中需要钴。Al、Mn或Mg等元素对于结构稳定性和热安全性等同样具有改善作用。但是我们认为,钴元素可以起稳定材料结构的作用,Co含量增加能有效减少阳离子混排,降低材料阻抗值,尤其对于提高材料电子电导率,改善倍率性能、降低电芯内阻等有其不可替代的作用。

“无钴化”的方案包括:用其他有类似作用的元素替代钴;多个材料体系耦合;使用阴离子氧化还原对;精细调控高镍材料等。

“无钴“是一个重要的研究目标,但也需要注意性能指标。钴元素在三元材料中短期内无法完全消除替代。除此之外,新能源尤其动力锂离子电池行业发展过程中对其他无钴材料也保持持续的关注和应用。如中国科学院院士欧阳明高所说,动力电池有三个发展趋势,第一是在材料和体系方面创新,从有机液态电解质,到无机的固态电解质;第二是借助智能制造、回收和人工智能,发展智慧电池;第三,是在设计和产品工程方面创新。不管是哪一趋势最终都对无钴材料有着深远影响:

电解液抗氧化能力的提高、或高电压固态电解质的应用,为尖晶石镍锰高电压二元材料的应用提供帮助,该材料在成本、倍率性能、循环性能等方面具有明显的优势,未来随着电解液等主材的发展,有可能会扩大其市场应用范围;在低钴的基础上通过材料回收等手段,建立完整的生产-回收产业链体系,可进一步降低钴元素在三元正极材料中的使用成本,缓解钴资源压力;近期大热的无模组电池包和刀片电池是设计创新的典型代表,运用此技术预计大幅改善磷酸铁锂电池能量密度低、续航里程短的不足。

从上述分析可知,无论是学术研究上,还是产业化量产上,目前三元材料体系绝对“无钴”方案并不成熟。综合考虑性能和成本,通过精细调控高镍材料组分、煅烧温度、烧结气氛,做到相对“无钴”的高镍低钴材料才是可行的。

二、高镍低钴趋势显著

低钴高镍正极材料(镍含量≥90%,钴含量≤5%),不应该看作是目前市场应用主流NCM811/NCA电池为增加能量密度而对其他性能(如循环性、安全性等)做出妥协的一种选择。事实上,不管从开发还是市场应用角度考虑,都应该看作是在保持或改善现有主流NCM811/NCA高镍材料性能优势的同时,进一步降低成本,增加能量密度,追求极致材料,推动新能源技术的发展和普及的有力工具。

欧美三级片 理论上来说,三元材料随着镍含量的提升,比容量也会随之升高,为保证汽车长续航里程能力提供基础。但也会造成诸如循环性变差,热分解温度变低,与电解液间副反应加剧等问题。三元材料中钴元素的存在,有利于增强晶体材料结构稳定性,改善功率性能,抑制阳离子混排,提高热安全性等性能。人类社会发展到今天的文明,任何一点进步都不是一帆风顺的。近年来,不管是学术界还是工业界,做了大量关于改善高镍低钴材料的工作,包括在体相掺杂、表面处理、制备环境管控、生产全流程自动化等一系列技术上取得了长足的进步。

容百科技的研究生产数据表明,LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2材料通过工艺的改进,在性能上完全具有媲美甚至超过市场主流的LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2材料,同时克比容量提5%以上,其带来能量密度的升高也是显而易见的。另外原材料成本可以降低10%左右。随着电解液、负极等其他主材配套材料的革新发展,电芯生产技术的不断进步,消费者对低成本长续航里程电动汽车的诉求的不断增强,高镍低钴材料的应用势必会加速扩大占据一定份额,甚至逐渐出现对8系NCM/NCA的替代现象。

三、理性看待电动汽车安全性

欧美三级片 电动汽车安全性一直是社会关注的重点问题,也是新能源汽车发展和普及过程中不能忽视的关键性能指标。

从概率的观点来看,锂离子电池的自失效是存在的,但程度很低。公开报道表明,对于电动汽车,可通过P=1-(1-P)m-n计算车辆水平的自感故障率,其中P是考虑m辆电动汽车的故障率,每个电动汽车的电池组中包含n个电池。以特斯拉S型为例,n=7104。假设1650个电池的自失效率p为0.1 ppm,在制造过程中不存在缺陷率,那么当EV的数量等于m=10000时,失效率p=0.9992,表明失效率约为1/10000。与传统车辆(美国每10000辆车发生7.6起火灾事故)相比,电动汽车事故的概率似乎要低得多。

四、特斯拉的低钴路线及其逻辑

欧美三级片 特斯拉最新一代高镍电池钴含量会进一步降至3%以下,客观上已经相对“无钴”。高镍低钴的NCA材料在特斯拉上的成功应用以及大规模出货已经在一定程度上验证了高镍低钴材料巨大的市场潜力和前景趋势。

特斯拉“去钴”核心在于变被动为主动,极限降钴就是以后不受制于钴,不断“去钴”也能进一步降低对钴价变化的敏感性,有利于预期管理,控制成本。特斯拉目前产能规划宏阔,不希望有任何环节阻碍其产能扩张,钴对电动车远期产能的限制与马斯克理念冲突,因此他需要降钴。降钴后,特斯拉不再受制于钴价大幅波动对整体成本造成太大影响,可以对单车成本做预期管理,降低对钴价巨幅波动的敏感性,“去钴”核心在于变被动为主动。

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