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蜂巢能源的無鈷前瞻與行動 改變電池游戲規矩
發布時間： 2021-08-12
當補貼逐漸失去效用，電動汽車進入價格戰時，整車和動力都出現了一些新動向：
比亞迪漢EV600km，小鵬P7706km，威馬Maven概念車800km……中高端電動汽車的長續航牌在新車上體現的淋漓盡致。
整車續航競爭的核心是動力鋰離子電池。
蜂巢能源、特斯拉的無鈷電池和CTP辦法，比亞迪的刀片電池結構……這些近日炒得火熱的動力鋰離子電池新概念，成績整車的長續航、降本和安全，成為整車競爭的核心之一。
不是少鈷，而是真0鈷
無鈷電池的概念在近幾年一直是各大電池廠的口頭熱詞?；旧?，電池廠都認可，動力鋰離子電池少鈷化或者無鈷化，是行業技術一大趨勢，也是必然。
今年，出現了一些無鈷電池商業上的炒作，將無鈷電池與磷酸鐵鋰離子電池劃等號的說法。這無疑是玩了一把文字游戲，倒回去找辦法。
從正極材料源頭直面無鈷問題，特斯拉、蜂巢能源采取的辦法是從少鈷走到0鈷。
少鈷電池組含高鎳三元NCM811，NCM90，以及四元電池NCMA。不少電池廠都為要怎么樣實現無鈷電池的量產殫精竭慮。
特斯拉低鈷（3%）材料已量產，用于Model3。第二代無鈷材料也在加快開發，預計將來兩年內使用到電芯中。
蜂巢能源與LG化學采取的少鈷電池策略是將NCM和NCA相結合，即將鋁摻雜到原始NCM電池正極材料中，開發NCMA四元電池，提高結構穩定性。
接下來，蜂巢的無鈷電池將于2021年SOP，將正極材料中的鈷含量減到0，徹底去除鈷。
從少鈷到無鈷的開發，電池公司和主機廠都在一點點試探鈷含量的底線，確保新電池能夠在拔高性能時盡可能地平衡能量密度、安全、壽命和成本。
鈷元素在正極材料中緊要有兩大用途：1、減少鋰鎳混排；2、抑制充放電過程中的相變，提高材料的結構穩定性。
倘若減少鈷的用量，提高鎳的含量，會導致鋰鎳混排，從而造成鋰的析出，并且無法抑制鎳的相變，降低循環性能。因此，鈷含量少的NCM811電池有著安全性差及循環壽命衰減較快的問題。
于是，電池公司在高鎳三元電池中摻入第四元素，它使得晶粒之間的邊界強度加強，減少了有害相變轉變的微隙，讓材料結構和反應變得更加穩定。
這是不是意味著，考慮到鈷在減少鋰鎳混排上的關鍵用途，它仍是高鎳動力鋰離子電池的非得元素呢？
特斯拉JefferyDahn研究團隊發現，高鎳含鈷電池中少量的鈷用途很小，或幾乎沒有。
Dahn團隊研究了摻雜Al、Co、Mn、Mg（摻雜量為0.05和0.1）對鎳酸鋰電化學性能、結構和熱穩定性的影響。
試驗數據聲明：1、用Al和Mg替代Co元素同樣能夠獲得非常低的Li/Ni混排率，這聲明Co元素有關抑制Li/Ni混排并不是非得的；2、摻雜Mg和Al都能抑制高鎳材料的H2-H3相變，從而改善循環壽命；3、摻雜Mg和Al、Mn的無鈷高鎳材料可以抑制正極和電解液的副反應，安全性也好于高鎳含鈷材料。
也就是說，找到改善無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排問題以及循環壽命，實現化學鍵穩定的技術，可以完全無鈷。
無鈷電池開發到了什么程度？
今朝，蜂巢能源、特斯拉正在將無鈷電池從理論變為實際。兩相比較之下，特斯拉多在理論階段，且有妥協的打算，蜂巢的無鈷產品經過安全探測，兩款產品將于明年SOP。
特斯拉CEO馬斯克2018年在推特上宣示，下一代動力鋰離子電池將是無鈷電池。此后它在采用少鈷的NCA電池時，內部展開Roadrunner項目，與學術動力鋰離子電池研究團隊合作探索不同高鎳-摻雜體系下的正極材料。
今年二月，路透社一篇有關特斯拉采用寧德時代無鈷電池的報道，立刻吸引了行業的關注。經過挖掘，它采用的是后者的磷酸鐵鋰離子電池，真正的無鈷電池將在其五月份電池日上公布。
然而，近日路透社的另一篇報道仿佛暗示著特斯拉電池日不會公布無鈷電池，重點將為基于NCM523的長壽命電池?？紤]到鈷材料的回收，特斯拉延遲無鈷電池的公布。
若消息屬實，無鈷電池的研發和量產很有可能將始于蜂巢能源。
蜂巢的無鈷電池建立在探索、發展了20年的鎳錳酸鋰材料上。
早在2000年，T.Ohzuku等學者就發表了結構穩定的層狀材料LiNi0.5Mn0.5O2的文章，從理論上證明了鎳錳酸鋰是一種有前景的材料。
Ohzuku教授是鋰電范疇的大師，在NCM111、鈦酸鋰、錳酸鋰以及上文提到的鎳錳酸鋰等電池技術上都有重大貢獻。
2001年首次制備出鎳錳酸鋰的Ohzuku發現，該電池在2.5~4.5V之間約有200mAh/g的比容量（與NCM811相當）。不足在于它存在8%~10%的鋰鎳混排；循環性能不夠理想，要在高電壓下充放電。
因此，處理無鈷層狀材料的鎳鋰離子混排以及循環壽命問題，關系到無鈷電池何時能夠商業化。
蜂巢能源通過三項關鍵技術研發出無鈷電池：1、陽離子摻雜技術；2、單晶技術；3、納米網絡化包覆。
摻雜和包裹等改性措施，有關動力鋰離子電池減少鋰鎳混排、提升材料穩定性不可或缺。單晶材料更耐壓，壽命更長久。
首先，摻雜技術，促使過往二元電池、三元電池、四元電池的誕生。鈷和錳摻雜到鎳酸鋰離子電池中出現NCM和NCA三元電池，NCMA就是鋁對NCM的摻雜。從材料體系上看，無鈷電池使高鎳三元徹底背棄傳統三元的體系，回到二元電池時代。
通過陽離子摻雜技術，蜂巢可提高材料的上限電壓，實現能量密度比磷酸鐵鋰離子電池提高40%。
蜂巢采用了兩種化學鍵能更大的元素，替代鈷，摻雜到材料中。通過強化學鍵穩定氧八面體結構，該技術減少鋰鎳混排，大幅改善了材料的穩定性，可以在4.3-4.35V電壓下穩定工作，使能量密度提高，成本降低。
單晶技術可以改善電池的安全性和壽命。與多晶相比，單晶技術顆粒強度更高，結構更加穩定，耐壓力強度可以提高10倍。
電池在極片制作過程中，為了在有限的殼體空間內加入更多的活性材料，要經過高強度輥壓。在探測中可以清楚地看到，多晶材料在輥壓過程中，顆粒破裂分明，會筆直導致正極與電解液反應，出現大量氣體，造成電池壽命加速衰減和出現安全問題；同時材料的結構崩塌，使鋰離子無法移動，造成壽命快速衰減。
而單晶卻非常穩定。正是這種穩定的晶體結構，為無鈷材料帶來超長的使用壽命，電芯壽命可以比多晶高鎳三元高出70%。
納米網絡化包覆，自然界中三角網絡是韌性最高的結構。蜂巢在無鈷材料的合成過程中采用此包覆技術，在單晶表面包覆一層納米氧化物，可以減少正極材料與電解液的副反應。該技術有效地改善高電壓下的材料循環性能。
當前，蜂巢的無鈷材料已完成百公斤級試產，采用該無鈷材料的電芯產品同步開發中，能量密度達到240~245Wh/kg。
第一款無鈷產品是115Ah，能量密度達到245wh/kg。它能夠匹配590標準模組，能夠搭載到目前大部分新的純電平臺上，這款產品的電池組在整車端，能夠實現15年120萬公里的質保。它將在2021年六月份推向市場。
第二款產品是L6薄片無鈷長電芯，容量226Ah，能量密度達到240Wh/kg。這款電池正在與長城汽車的一款高端車型做適配開發，預計在2021年下半年推向市場。
蜂巢能源總裁楊紅新表示，這款無鈷電池通過了國標和歐標的全部安全性探測。結果聲明，通過材料摻雜、單晶技術和納米網絡化包裹，蜂巢的無鈷電池在能量密度與高鎳三元相當，使用壽命和安全性高于高鎳三元。
長電芯在制造中更考驗制造工藝。在長電芯的制造過程中，疊片工藝比卷繞工藝更加有優點。蜂巢能源已經順利投產的車規級AI智能廠一期項目，已經成熟掌握了高速疊片工藝技術，已經可以實現L6疊片長電芯的高效率大批量加工。
電池研發不是自嗨，而要真切可用
bEV乘用車選擇何種電池，是基于定位而定。近兩年OEM公布或上市的新車在推廣時大多具有幾個特點：平臺化，長續航里程，高安全，價格競爭力。
平臺化要求動力鋰離子電池能夠最大程度地兼容到現有電動汽車平臺上，實現最大化的通用性。
楊紅新表示，蜂巢分解當前市場上的主銷車型寬度后發現，主流的A0級、A級以及b級以上的平臺適用于長度在1150mm-1300mm的長電芯。倘若按照1米或1米以上的長度做電芯，勢必會顧此失彼，某款車可能匹配較好，另外一些或者裝不下，或者空間不能足夠得到利用，這就違背了提高空間利用率的初衷。也就是說，過長的尺寸會降低對市場主流乘用車的適配性和靈活性。
經測算，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸，仿佛可以傾覆到市場上主銷的80%的車型的需求。
長而薄的600mm左右的電芯可以裝配在矩陣網格中，規矩排列組成大型矩陣模塊，矩陣之間相互關聯又相互獨立，正常工況時能夠保證整個矩陣模塊的剛度，非常規極端工況下，比如側碰，則能夠通過多個電芯分散撞擊力，保證整體安全。
矩陣式PACK設計也和之前使用590模組的平臺具有很好的兼容切換性，主機廠可以不做額外的修改和變更。
單晶無鈷電芯與矩陣式PACK設計，可以實現整車續駛里程達880公里。以長城b級車為例，在L6無鈷電池和無模組辦法的用途下，它的電量可以達到135度電，續航里程880公里，是國內純電動汽車續航最長的車型。
為了解決消費者的續航焦慮，車企自2019年下半年推出的新車新增了550公里以上續航的版本。今年尤其瘋狂，600公里續航的新車變得普遍，700公里或800公里續航的新車接二連三到來。
動力鋰離子電池非得撐得起主機廠的長續航需求。很分明，蜂巢的無鈷電池瞄準了主機廠的此類需求。它與高鎳三元CTP電池、四元電池可以成為續航在600km以上緊湊型和中大型車的主流電池選擇。
長續航之外，電動汽車不僅要與其他電動汽車比拼價格，更要與燃油車拼價格。占電動汽車總成本四成的動力鋰離子電池，自然也就成為降本重點對象。
電池公司緊要從材料創新和結構創新兩方面降成本，在正極材料去鈷，無模組設計提高成組效率。
探索無鈷辦法，最緊要的原由就是降本。電芯整體成本中，原材料成本占據很大比例，特別是正極材料占到整個材料成本的40%。大力發展和推廣降低成本的正極材料，也就成為降低電池成本的重中之重。
無鈷技術的實現，可使電芯成本下降10-15%，完全擺脫正極材料對鈷的依靠。同時，無鈷材料電池還戒備了材料受戰略資源影響情況的出現。
楊紅新解釋稱，無模組矩陣式PACK設計能夠降低PACK非增值件的重量，在保證安全性的前提下能夠做到80%的成組效率（傳統模組的PACK水平在72%，VDA電芯CTP做到75%）。
當新電池技術處處為整車開發和使用考慮，它才能讓主機廠發揮出電動汽車平臺的最大效益。
有業內人士曾評價當前推出的動力鋰離子電池新辦法，動力鋰離子電池作為電動汽車的關鍵零部件，是不是能成為主流趨勢緊要取決于下游整車客戶是不是會大規模采用。
讓電池適用于車，適用于已經定型或正在定型的電動汽車平臺，而非車適用于電池。