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動力鋰電池“無鈷”之辯

鉅大LARGE  |  點擊量:923次  |  2020年07月12日  

續航里程和成本無法和燃油車正面PK,是阻礙電動汽車真正走向消費市場的兩大“攔路虎”。


要解決這兩大難題,“密碼”在動力鋰離子電池


進入2020年,有關動力鋰離子電池新技術的“勁爆新聞”此起彼伏:特斯拉“無鈷電池”、通用和LG化學合作推出NCMA四元電池、寧德時代CTP電池、比亞迪刀片電池……


新技術百舸爭流,一方面映射出產業正步入技術拐點,另一方面則暗含潛臺詞:市場倒逼之下,電池性能提升迫在眉睫。


有壓力就有動力,放眼全球,電池性能提升重要圍繞兩大維度展開,一是電池材料體系的革新,二是工藝和結構的優化。


短時間看,工藝和結構創新最為現實。無論是寧德時代的CTP、比亞迪的刀片電池,還是蜂巢能源的L6長電芯,都是在現有材料體系基礎上的工藝革新和結構優化,其有關體積能量和成本降低有明顯效果。


但放眼中長期,如若要進一步突破性能瓶頸,材料體系變革才是“王道”。


動力鋰離子電池的發展路徑,一致的意見是以高鎳為主(來源:汽車電子設計)


特斯拉已經“明修棧道”,其動力鋰離子電池核心智囊、三元材料鼻祖JeffDahn,去年一月就公開發表無鈷高鎳材料具備可行性的文章,目前,特斯拉第一代低鈷(5%)材料已經完成開發,即將量產,第二代無鈷材料也在加快開發,預計未來兩年內應用到電芯中。


LG化學沒有完全明確提出“無鈷”,但去鈷化的戰略已經非常明確。今年初,其宣布和通用汽車合作,計劃在2021年量產NCMA電池,該材料體系將鈷的占比進一步降低至5%,從而將電池成本降至100美元/KWh以下。


在國內,蜂巢能源是最先公開宣布研發出無鈷材料及電池產品的公司。


在去年七月,其就宣稱在開發無鈷三元材料和電池,今年五月中旬,蜂巢能源召開產品公布會,對外公布兩款無鈷電池。并稱基于其無鈷電池,可以實現電動汽車最高達880公里續航。產品都將在2021年下半年推向市場。


同樣也是在五月,寧德時代董事長曾毓群對外透露,寧德時代有自己的“無鈷”電池技術儲備,目前研發進展順利,正在想辦法搞好供應鏈,因為是一個全新的、顛覆性的產品。”


事實上,有關動力鋰離子電池“去鈷化”,業內已成共識,背后驅動因素在于,既可以實現電池能量密度性能的提升,更為關鍵的還能擺脫鈷作為稀有資源,面對的價格高、資源少、受牽制的風險。


但在“去鈷”的具體路徑上,尤其是有關“無鈷”短時間內是否真正可行,業內還存在著一定的爭議。


一方聲音認為,無鈷高鎳材料具備可行性。


JeffDahn就認為,目前還沒有確鑿的證據清楚地表明鎳含量高的NCA中要鈷。Al、Mn或Mg等元素有關結構穩定性和熱安全性等同樣具有改善用途。


其團隊給出的數據也表明,摻雜Mg和Al的無鈷高鎳材料安全性好于高鎳含鈷材料。因此其結論是,在NCA類型的高鎳(Ni>90%)材料中,鈷的用途很小或幾乎沒有。


蜂巢能源同樣認為無鈷可行,其思路是,在常規含鈷正極基礎上去除鈷元素后,離子電導率雖然有所降低,但通過無鈷材料本身、電化學體系和電池包的合理設計,應用于電動汽車電池是可行的。


蜂巢能源總裁楊紅新介紹,實現突破無鈷技術瓶頸,蜂巢能源重要采用了三項關鍵技術,分別是陽離子摻雜技術、單晶技術和納米網絡化包覆。


具體而言,陽離子摻雜技術可提高材料的上限電壓,實現能量密度比磷酸鐵鋰高40%;


單晶與多晶相比,具有更強的顆粒強度和更加穩定的結構,使電芯壽命比多晶高鎳三元高出70%;納米網絡化包覆則能減少正極材料與電解液的副反應,有效改善高電壓下的材料循環性能。


另一方的聲音則認為,目前三元體系絕對“無鈷”方法并不成熟。


國內正極材料公司容百科技認為,現有三元體系中,鈷元素可以起穩定材料結構的用途,鈷含量新增能有效減少陽離子混排,降低材料阻抗值,尤其有關提高材料電子電導率,改善倍率性能、降低電芯內阻等有其不可替代的用途。


而綜合考慮性能和安全因素,通過精細調控高鎳材料組分、煅燒溫度、燒結氣氛,做到相對“無鈷”的高鎳低鈷材料才是可行的。


與此同時,無鈷電池還面對材料匹配和革新,例如,目前在電解液匹配上還存在不小的問題。


更為關鍵的是,電池是一個復雜的體系,新材料的商業化,會面對一定的周期,產品開發完成后還要經歷小試、中試、量產等各個階段的問題。這其中,還將面對一系列已經發現和尚未被發現的問題。


2020先進電池材料集群產業發展論壇將于八月26-二十七日在深圳機場凱悅酒店舉辦,此次會議由深圳先進電池材料產業集群主辦,深圳市清新電源研究院、高工鋰電聯合承辦。


會議將重點圍繞“電池核心關鍵材料創新技術及產業前景”、“電池制造創新工藝及發展趨勢”、“儲能與電池回收產業前沿技術”、“氫燃料動力鋰電池產業態勢及技術路線”等多個行業熱點內容展開,把脈行業趨向,尋路產業未來。


此次論壇上,將邀請國內外主流車企、動力鋰離子電池公司、材料公司等產業鏈多家頭部公司技術負責人圍繞無鈷電池展開探討,重要探討方向包括:


●無鈷電池是否將是動力鋰離子電池未來的主流?


●無鈷材料及電池的開發瓶頸及路徑


●無鈷電池的材料匹配


●無鈷材料及電池的產業化難題


●主流車企有關無鈷電池的態度和判斷


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