钴材料价格一度疯长,动力电池企业试图找到无钴路径

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2019年新能源汽车补贴政策大幅退坡,让车企和动力电池企业皆受到冲击,主机厂纷纷进一步压缩动力电池成本,这对动力电池供应商提出更高的要求。

近年来,作为电动车锂离子电池的关键原料,钴材料由于资源稀缺性,加上不少寡头矿产公司正在大量囤积钴,价格不断上涨。根据生意社数据监测显示,2016年年底至2018年4月间,钴价曾从20万元/吨一路飙升至逾66万元/吨最高点。随后,由于电池厂商降低钴的用量、无钴电池技术路线的提出以及钴产量的上涨,钴价有所回调。但从长期来看,根据国际能源署(IEA)预估,到2020年全球电动汽车数量将由2017年的370万辆增长至1300万辆,市场对于钴、锂、铜等金属的需求可能会增长十倍,刚果(金)新矿业法也可能导致钴生产成本和售价的增加。从能源战略方面来考虑,钴资源的稀缺性迫使企业降低钴的用量。

随着新能源汽车的普及,汽车厂商和电池厂对电池去钴化的呼声也越来越强。目前,一些企业在不断降低钴在三元锂电池材料配方中的比例,甚至已开始研发无钴电池。

为了减轻对钴材料的依赖,三星SDI已对锂离电子电池配方进行了微调,目前正在改良技术试图将钴完全剔除,去年松下也已宣布将研发无钴电池,其预计,该技术将在未来2~3年内在量产车中应用。大众汽车集团正在系统地减少电池的钴含量,计划在将来三到五年内将其减少至5%,并致力于最终实现电池无钴化。最近,国内蜂巢能源科技有限公司(下称“蜂巢能源”)也面向全球首发了无钴材料和四元材料的电芯产品。蜂巢能源方面称,无钴电池已具备量产条件,计划将在2020年第三季度实现量产,其性能可以达到NCM811同等水平,电芯BOM成本可以降低约5%。

不过,从目前整个行业的情况来看,无钴电池仍处于研发阶段,为了降低钴含量,国内电池企业大多选择的是高镍811的技术路线。包括比克电池国轩高科宁德时代比亚迪等企业,均在高镍811电池领域展开积极的布局。通过提升镍的比重,不仅能提升电池能量密度,也降低了钴的含量,从而降低了电池成本,但这种路线仍然难以摆脱对钴的依赖。

图1

而无钴电池的实现可以通过创新研发使钴在三元锂电池材料配方中的比例降至为零。此外,通过研发富锂锰基材料也可以实现,富锂锰基材料具备工作电压高和克容量高特点,且成本比三元材料低。目前,富锂锰基材料的用钴量在持续降低,最终可以实现低钴或无钴。遨优动力总经理陈光森认为,随着未来高电压电解液技术的成熟,富锂锰基动力电池将成为未来高比能锂动力电池的主流产品。

“富锂锰基这种材料成本极低,但是循环寿命是一大问题,而且富锂锰基的正极容量较高,没有很好的负极材料可以匹配,所以这种材料是全固态电池的理想材料,因为固态电池可以用金属负级,配合在一起可以发挥最佳的性能。但是如果把富锂锰基和普通的石墨配到一起,电池容量密度仍然上不去,因为会受负极制约,仍然有很多的技术问题要解决。”蜂巢能源总经理杨红新对记者表示。

不过,通过三元锂电池材料衍生出来的无钴电池,其结构稳定性会在一定程度上受到影响。作为锂电池的重要原料之一,钴能够明显提升锂电池的能量密集度。为了替代钴,电池厂商往往会增加镍的使用量来提升电池的能量密度。但镍的使用量增加之后,会导致相应的电极材料的结构稳定性降低,进而影响到电池循环寿命和安全性。此外,有行业观点认为,当钴含量减少后,镍含量就会相对上升。电池不能有效地冷却,更易过热,从而导致自燃。虽然这种风险相对较低,但一旦发生就会引起重大安全问题。此外,低钴配方需要在特殊的干燥环境中生产,这也需要额外成本。

在杨红新看来,取消掉钴元素所产生的不是安全问题,而是结构稳定性和循环寿命问题。“因为钴是化学键上稳定结构的,取消钴后结构会发生变化。但是可以通过搀杂其它元素来实现化学键的稳定,比如说钛等其他元素。通过实际的测试来看,无钴电池的BSC、热失控的数值是好于811的,循环寿命也与811处于同一水平。”

杨红新还谈到,引起电动车自燃的原因较为复杂:一是制造缺陷,电池内部夹有异物,频繁使用后刺穿隔膜会造成的短路、着火;二是负级离子不断嵌入、慢慢涨出,突然刺穿也会着火。第一类问题可以通过高度自动化的工厂、控制以及全面在线监测等手段来降低不良率。但第二类问题通过技术手段很难预测,目前仍很难解决。如果这个问题解决了,可以解决很多不明原因的自燃。

“从当前来看,高镍低钴仍然是主要发展方向,短期内无钴电池仍难成为主流。无钴电池的研发要以保证安全和质量为前提,配方比例的改变会带来一定的挑战。”电池领域专家曹国庆对记者表示。

来源:新浪汽车

作者:肖蒙蒙

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