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電池真的能無鈷嗎?

鉅大LARGE  |  點擊量:1240次  |  2020年04月24日  

1無鈷是否可行?


隨著新能源汽車的快速發(fā)展,整個行業(yè)對鋰Li、鎳Ni、鈷Co金屬的需求會進(jìn)一步新增,但是關(guān)于金屬Co來說,全球礦藏儲量非常有限,且集中分布于常年局勢不穩(wěn)的非洲國家剛果,學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界一直試圖弄清楚Co在三元材料中的最低含量界限在哪里,盡量降低新能源汽車行業(yè)對金屬Co的依賴。


(來源:微信公眾號“我國電動汽車百人會”ID:ChinaEV100作者:容百科技)


三元體系中,不同的元素在對材料的理化性能意義也不同。三元材料鼻祖J.R.Dahn認(rèn)為目前還沒有確鑿的證據(jù)清楚地表明鎳含量高(例如,當(dāng)1-x-ygt0.9)的NCA中要鈷。Al、Mn或Mg等元素關(guān)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱安全性等同樣具有改善用途。但是我們認(rèn)為,鈷元素可以起穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的用途,Co含量新增能有效減少陽離子混排,降低材料阻抗值,尤其關(guān)于提高材料電子電導(dǎo)率,改善倍率性能、降低電芯內(nèi)阻等有其不可替代的用途。


“無鈷化”的方法包括:用其他有類似用途的元素替代鈷;多個材料體系耦合;使用陰離子氧化還原對;精細(xì)調(diào)控高鎳材料等。


“無鈷“是一個重要的研究目標(biāo),但也要注意性能指標(biāo)。鈷元素在三元材料中短時間內(nèi)無法完全消除替代。除此之外,新能源尤其動力鋰離子電池行業(yè)發(fā)展過程中對其他無鈷材料也保持持續(xù)的關(guān)注和應(yīng)用。如我國科學(xué)院院士歐陽明高所說,動力鋰電池有三個發(fā)展趨勢,第一是在材料和體系方面創(chuàng)新,從有機(jī)液態(tài)電解質(zhì),到無機(jī)的固態(tài)電解質(zhì);第二是借助智能制造、回收和人工智能,發(fā)展智慧電池;第三,是在設(shè)計和產(chǎn)品工程方面創(chuàng)新。不管是哪一趨勢最終都對無鈷材料有著深遠(yuǎn)影響:


電解液抗氧化能力的提高、或高電壓固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用,為尖晶石鎳錳高電壓二元材料的應(yīng)用供應(yīng)幫助,該材料在成本、倍率性能、循環(huán)性能等方面具有明顯的優(yōu)勢,未來隨著電解液等主材的發(fā)展,有可能會擴(kuò)大其市場應(yīng)用范圍;在低鈷的基礎(chǔ)上通過材料回收等手段,建立完整的生產(chǎn)-回收產(chǎn)業(yè)鏈體系,可進(jìn)一步降低鈷元素在三元正極材料中的使用成本,緩解鈷資源壓力;近期大熱的無模組電池包和刀片電池是設(shè)計創(chuàng)新的典型代表,運用此技術(shù)預(yù)計大幅改善磷酸鐵鋰離子電池能量密度低、續(xù)航里程短的不足。


從上述分析可知,無論是學(xué)術(shù)研究上,還是產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)上,目前三元材料體系絕對“無鈷”方法并不成熟。綜合考慮性能和成本,通過精細(xì)調(diào)控高鎳材料組分、煅燒溫度、燒結(jié)氣氛,做到相對“無鈷”的高鎳低鈷材料才是可行的。


2高鎳低鈷趨勢顯著


低鈷高鎳正極材料(鎳含量≥90%,鈷含量≤5%),不應(yīng)該看作是目前市場應(yīng)用主流NCM811/NCA電池為新增能量密度而對其他性能(如循環(huán)性、安全性等)做出妥協(xié)的一種選擇。事實上,不管從開發(fā)還是市場應(yīng)用角度考慮,都應(yīng)該看作是在保持或改善現(xiàn)有主流NCM811/NCA高鎳材料性能優(yōu)勢的同時,進(jìn)一步降低成本,新增能量密度,追求極致材料,推動新能源技術(shù)的發(fā)展和普及的有力工具。


理論上來說,三元材料隨著鎳含量的提升,比容量也會隨之升高,為保證汽車長續(xù)航里程能力供應(yīng)基礎(chǔ)。但也會造成諸如循環(huán)性變差,熱分解溫度變低,與電解液間副反應(yīng)加劇等問題。三元材料中鈷元素的存在,有利于增強(qiáng)晶體材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,改善功率性能,抑制陽離子混排,提高熱安全性等性能。人類社會發(fā)展到今天的文明,任何一點進(jìn)步都不是一帆風(fēng)順的。近年來,不管是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界,做了大量有關(guān)改善高鎳低鈷材料的工作,包括在體相摻雜、表面處理、制備環(huán)境管控、生產(chǎn)全流程自動化等一系列技術(shù)上取得了長足的進(jìn)步。


容百科技的研究生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明,LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2材料通過工藝的改進(jìn),在性能上完全具有媲美甚至超過市場主流的LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2材料,同時克比容量提5%以上,其帶來能量密度的升高也是顯而易見的。另外原材料成本可以降低10%左右。隨著電解液、負(fù)極等其他主材配套材料的革新發(fā)展,電芯生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步,消費者對低成本長續(xù)航里程電動汽車的訴求的不斷增強(qiáng),高鎳低鈷材料的應(yīng)用勢必會加速擴(kuò)大占據(jù)一定份額,甚至逐漸出現(xiàn)對8系NCM/NCA的替代現(xiàn)象。


3理性看待電動汽車安全性


電動汽車安全性一直是社會關(guān)注的重點問題,也是新能源汽車發(fā)展和普及過程中不能忽視的關(guān)鍵性能指標(biāo)。


從概率的觀點來看,鋰離子電池的自失效是存在的,但程度很低。公開報道表明,關(guān)于電動汽車,可通過P=1-(1-P)m-n計算車輛水平的自感故障率,其中P是考慮m輛電動汽車的故障率,每個電動汽車的電池組中包含n個電池。以特斯拉S型為例,n=7104。假設(shè)1650個電池的自失效率p為0.1ppm,在制造過程中不存在缺陷率,那么當(dāng)EV的數(shù)量等于m=10000時,失效率p=0.9992,表明失效率約為1/10000。與傳統(tǒng)車輛(美國每10000輛車發(fā)生7.6起火災(zāi)事故)相比,電動汽車事故的概率似乎要低得多。


4特斯拉的低鈷路線及其邏輯


特斯拉最新一代高鎳電池鈷含量會進(jìn)一步降至3%以下,客觀上已經(jīng)相對“無鈷”。高鎳低鈷的NCA材料在特斯拉上的成功應(yīng)用以及大規(guī)模出貨已經(jīng)在一定程度上驗證了高鎳低鈷材料巨大的市場潛力和前景趨勢。


特斯拉“去鈷”核心在于變被動為主動,極限降鈷就是以后不受制于鈷,不斷“去鈷”也能進(jìn)一步降低對鈷價變化的敏感性,有利于預(yù)期管理,控制成本。特斯拉目前產(chǎn)量規(guī)劃宏闊,不希望有任何環(huán)節(jié)阻礙其產(chǎn)量擴(kuò)張,鈷對電動汽車遠(yuǎn)期產(chǎn)量的限制與馬斯克理念沖突,因此他要降鈷。降鈷后,特斯拉不再受制于鈷價大幅波動對整體成本造成太大影響,可以對單車成本做預(yù)期管理,降低對鈷價巨幅波動的敏感性,“去鈷”核心在于變被動為主動。


“無鈷”電池真的能無鈷嗎?


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