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動力電池的無鈷化思考

鉅大LARGE  |  點擊量:767次  |  2020年12月31日  

最近“動力電池傷金動鈷”話題甚囂塵上,讓這個曾經靈光乍現的元素褪色頗多,更有甚者,明明是三個元素的“電影鈷”卻不配有姓名了,其罪罄竹難書,其名百般唾棄,不得不讓人感慨所有命運的饋贈,其實都在暗中標好了價格。


鈷元素出場自帶價格原罪:


正極材料成本占據電芯成本的大部頭,而鈷元素在目前三元材料的組分中價格最高且波動最大。


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目前已知的鈷探明儲量為690萬噸,是稀缺資源。按照EV30模型(不一定準確)預計,現有的三元路線甚至存在一定的原料供應風險。

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目前,國內的鈷礦過于依賴非洲進口;在短期內,鈷供應鏈的快速擴大面臨著巨大挑戰。


這里暫且不提現在不斷成熟的電池回收處理工藝(濕法以及火法提鈷),單就論這種非常激進的扣寶福瑞(cobaltfree)可取嗎?


我認為不可?。菏紫龋驗殁捲氐膬r格昂貴就因噎廢食并不理智,低鈷或者微鈷可以良好銜接,最后的疼愛不一定是手放開嘛;其次,也是最重要的一點,因為鈷元素在三元正極材料中的代償作用太過于明顯了(增益作用較多),真要完全去鈷恐怕會面臨性能的全面潰退,而考慮使用其他替代元素救火不僅可能失之東隅,而且還會徒增成本反而導致性價比的降低。


研究者們曾經在Ni80(LiNi0.8CoxMn0.2-x)材料中做過錳替換鈷的驗證,結果很不理想[1]。

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不僅克容量損失很大:


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圖示:LiNi0.8CoxMn0.2-x的半電池充放電曲線:x=0(a)、x=0.05(b)、x=0.1(c)與x=0.15(d);來自參考資料[1]


循環性能、倍率性能以及內阻數值也存在全面性的滑坡:


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圖示:LiNi0.8CoxMn0.2-x(x=0、0.05、0.1、0.15)的循環性能(a)、倍率性能(b)與電化學阻抗譜(c);來自參考資料[1]


研究者們認為:真·牽一鈷而動全身。


下面我們從機理層面來了解一下鈷元素的充沛武德,需要你品,細品。


1)鈷元素對于三元材料動力學性能的增益


無論是脫韁野馬還是鋼鐵洪流,人們對快的概念都會有一個普適的評判標準:速度。用戶們對于電動汽車的考量也是基于速度:充電速度、加速度、啟動速度、最高時速等等,而從主機廠的需求逐步滴定到電芯廠后,電池的一個指標脫穎而出:功率性能。衡量功率性能優劣的兩個重要維度就是電芯的倍率性能和直流內阻(初始值以及增長),如果再往下分解,根據化學反應中決速步驟的定義,你即將觸碰到化學體系的復雜紋理:動力學與極化。將其他因子固定(負極、電解液)后,你會發現鈷元素對于正極材料動力學性能的超凡脫俗之處。


在對層狀氧化物陽離子的選擇上,當年的獵荒者們也是煞費苦心、宵衣旰食。不僅僅是長于外層多電子體系的變價優勢,過渡金屬Ni、Co、Mn、Fe的出列更多的也是基于能量密度的考量。能級越低,對應的嵌鋰電壓就越高。在含鋰氧化物中,Co3+/4+能級是最低的(可嵌鋰電壓最高),因為Co3+的氧化還原需要使用更加穩定的t(2g)軌道:


圖示:d軌道在八面體環境中的晶體場分裂(a)與層狀三元氧化物的典型電子構型(b)以及層狀三元氧化物中的定性能級排位(c)


根據Co-3d軌道與O-2p軌道非均向雜化理論,配體場會發生分裂。在被氧化為+4價之后,Co的5個3d軌道在八面體配體場(cubicligandfield)下被分裂為2個e(g)軌道與3個t(2g)軌道,后者又在四面體配體場(trigonalligandfield)進一步地分割成1個a(1g)和2個e'(g)軌道,請記住這個a(1g)。


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圖示:LixCoO2晶體結構示意圖(a)、Co3+與Co4+電子構型與它們O-1s的XAS過程(b)、O-2p在Co3+與Co4+之間的定域(c)以及LixCoO2的O-1s軌道60°入射XAS(d);來自參考資料[2]


如上圖d所示,不同脫鋰狀態下的LixCoO2(x=0:99、0.66、0.46和0.25)的θ=60°入射X射線吸收譜(XAS)顯示有三種不同的結構:α和β分別對于應Co4+態的兩個吸收過程,γ反映的是Co3+的吸收過程。


Co-3d-t(2g)與O-2p的軌道各向異性可以通過XAS中三種結構關于入射角相關性變化來反應。


如上圖所示,研究人員發現在脫鋰狀態下,α結構的強度在θ=0°入射時顯著削弱而在θ=60°入射時顯著增加,這一變化表明:與Co4+各種電化學行為相關的t(2g)能級的主導成分是a(1g),隨后他們通過局域密度相似能帶結構計算預測:只有這個a(1g)能帶才能夠跨越費米能級。這樣就很有意思:Co-3d與O-2p雜化軌道一方面具有a(1g)對稱性的部分具有高度的巡游特性,另一方面具有e(g)對稱性的部分又帶有更多定域的O-2p空穴。


這種Co-3d與O-2p雜化軌道的各向異性對于材料在高脫鋰態下導電性的幫助是顯異的:O-2p空穴中定域的e(g)成分能夠高效地捕獲鋰離子的電荷并提升鋰離子的離子電導率,而巡游的a(1g)成分能夠使部分電荷離域并促進電子電導率的改善[2]。


在另外一個微觀層面上,Co對于正極材料動力學性能的貢獻同樣不容忽視:抑制Li/Ni混排。


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