鉅大LARGE | 點擊量：984次 | 2021年12月21日
無鈷電池能否成為主流？揭秘無鈷115Ah量產(chǎn)裝車背后的科技
盡管已有預期，但蜂巢能源先于電池技術巨頭寧德時代和特斯拉，率先量產(chǎn)無鈷電池，還是震動了業(yè)界。
這真是無鈷電池？蜂巢能源如何做到NCM（鎳鈷錳酸鋰電池）在沒有Co（鈷）的情況下，繼續(xù)保持原先三元鋰電池性能的穩(wěn)定、提升安全性及降低成本？
在未來，蜂巢能源無鈷電池產(chǎn)能布局有何規(guī)劃？
H系列：無鈷115Ah量產(chǎn)裝車
8月29日，蜂巢能源官宣由其開發(fā)的全球首款無鈷電池包115Ah（H系列），正式搭載長城歐拉首款SUV車型櫻桃貓，實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
這款115Ah無鈷電池包（以下若無特別說明，均指H系列115Ah無鈷電池），實際路測結果怎樣？
據(jù)蜂巢能源CEO楊紅新稱，自2020年搭載歐拉樣車路測開始，蜂巢能源無鈷電池包通過涉水實驗、強化路試、整車充放電性能、急加速、減速電池性能、全車電池包絕緣檢查等多項整車性能測試，累積測試里程80萬公里，測試數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)異。
蜂巢能源無鈷電池產(chǎn)品之前裝車路試結果顯示，產(chǎn)品通過150℃熱箱測試和過充測試，循環(huán)與日歷壽命高于目前量產(chǎn)811型三元鋰電池水平，已具備在長里程車上替代三元高鎳的性能水平以及成本競爭力。
8月31日，蜂巢能源無鈷電池材料技術負責人向華爾街見聞透露，此次量產(chǎn)裝車的115Ah無鈷電池包，材料成本比811型NCM（鎳鈷錳酸鋰）電池降低8%-10%，能量密度提升5%，電芯循環(huán)超過3000次（三元鋰電池充放電循環(huán)約1500次）。
這位負責人說，“以工薪族私家車日常行駛情況看，115Ah無鈷電芯使用壽命約為10年。”2020年9月28日，楊紅新曾對外稱115Ah無鈷電芯相比同級高鎳NCM電池，使用壽命延長50%。
目前，蜂巢能源無鈷電池共規(guī)劃四款量產(chǎn)產(chǎn)品，分別是無鈷H系列115Ah電芯、155Ah電芯，HPlus系列157Ah電芯和無鈷E系列115Ah電芯，覆蓋中里程至超長里程（300km-800km）、從微型車到全尺寸的全系車型。
其中，無鈷H系列115Ah電芯和155Ah電芯能量密度為240Wh/kg，115Ah產(chǎn)品即此次實現(xiàn)量產(chǎn)裝車的無鈷電池包。
華爾街見聞了解到，搭載在長城緊湊級SUV車型櫻桃貓上，115Ah無鈷電池包常溫工況下續(xù)航里程超過600公里；5秒內(nèi)可實現(xiàn)整車百公里加速；防水性能達到IP67；低溫情況下，能量保持率高，加熱速度快。
H系列與E系列產(chǎn)品的區(qū)別在于采用的材料和技術不同，因而主打里程數(shù)也不同：H系列無鈷電池主打超長里程，而E系列為中里程技術方向。值得一提的是，就性能來說，H系列無鈷電芯可替換同級高鎳三元鋰電池，而E系列則能取代磷酸鐵鋰電池。
E系列電芯材料主要采用高濃度陽離子摻雜和納米網(wǎng)絡化包覆、微觀粒徑控制、嵌鋰路徑優(yōu)化，計劃在2021年將容量做到160mAh/g，2023年提升至170mAh/g。
H系列電芯材料則以納米網(wǎng)絡包覆技術，采用單晶化技術和陽離子摻雜的氧八面結構，2022年將電池容量從180mAh/g提升到185mAh/g。
鈷不可或缺但正遭摒棄
蜂巢能源前身是長城汽車動力電池事業(yè)部，2018年從長城汽車剝離并獨立為蜂巢能源科技有限公司。蜂巢能源主要從事電池材料、電芯、模組、電池系統(tǒng)和BMS（BatteryManagementSystem：電池管理系統(tǒng)）的研發(fā)與產(chǎn)品制造。
“無鈷電池，業(yè)界有很多概念。有公司曾推出的無鈷電池，后來被證明，實際上是磷酸鐵鋰電池，并非是采用層狀結構鎳錳酸鋰的無Co（鈷）電池。
事實上，包括寧德時代、比亞迪和特斯拉等在內(nèi)的新能源電池上下游公司，均先后都提出過無鈷電池的研發(fā)消息，但至今仍未有進一步進展，更沒有量產(chǎn)消息。
Co在鋰電池中的作用是什么？為何在技術上難以取得無Co突破？
要明了Co的作用，首先要知道三元鋰電池的材料結構和Co元素對三元鋰電池材料動力學的作用。
三元鋰電池主要由正負極、隔膜和電解液構成。
其中，正極材料為鋰氧化物，如NCM（鎳鈷錳酸鋰）和NCA（鎳鈷鋁酸鋰），負極材料為石墨，正負極之間以多孔材質(zhì)的隔膜做隔離。通過隔膜空隙，鋰離子在正負極之間游走，進而產(chǎn)生電流，實現(xiàn)電池充放電循環(huán)。
當電池充電時，鋰離子由正極通過隔膜移動到負極，但正極原先由鋰離子所在的位置就會被鎳離子占據(jù)。
此時，若有放電，鋰離子就從負極回到正極。但因其原有位置為鎳離子所占，故鋰離子就會去填補鎳離子所在位置，如此則形成“鎳鋰混排”，從而導致電池壽命縮短，電池容量下降或發(fā)生其他危險。
為防止這種情況的發(fā)生，就需要鈷元素加持。鈷，化學元素符號Co，原子序數(shù)27，在化學元素周期表中位于第4周期、第Ⅷ族的金屬，是電池制造中相當重要的正極原材料。
在三元鋰電池的材料結構中，鎳元素的作用是提升并穩(wěn)定三元鋰層狀結構整體的能量密度，而鈷元素主要功能是抑制鎳離子因活性而“侵奪”鋰離子在正極中的位置，防止出現(xiàn)“鎳鋰混排”，從而穩(wěn)定三元鋰電池的層狀結構。
此外，鈷元素還有提高材料電子電導率、改善倍率性能、降低材料阻抗值和降低電芯內(nèi)阻等功能。
基于鈷的作用如此關鍵，尤其是鈷能減少陽離子混排，以便于材料深度放電，提高材料放電容量、循環(huán)性和倍率性能，因此三元鋰電池要做到無鈷，非常困難。
既然鈷的作用如此明顯且不可或缺，為何業(yè)界亟欲除之而后快？
因為鈷不可再生，儲量很少，成本很高。
多家機構統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，眼下全球鈷探明的儲量僅約710萬噸，有超過50%的全球鈷儲量在剛果。但作為全球最大的新能源汽車消費市場也是最大的鈷產(chǎn)品消費國，中國已探明的鈷儲量僅約8萬噸，占全球總儲量的1.14%。
為了在未來不因缺鈷而陷入無動力電池可用的窘境，國內(nèi)新能源汽車電池制造商致力于兩種技術路線的研發(fā)：一種是以比亞迪為代表的刀片式磷酸鐵鋰技術研發(fā)方向；另一種即蜂巢能源致力的無鈷電池。
真正的無鈷電池如何煉成
8月29日，蜂巢能源推出H系列無鈷電池包115Ah，震動業(yè)界，但業(yè)內(nèi)同時仍出現(xiàn)質(zhì)疑：主要集中在無鈷電池怎么做到電池性能不變、穩(wěn)定性好、壽命更長、成本還低？到底是不是真正的無鈷？
據(jù)華爾街見聞從蜂巢能源無鈷材料技術處了解，115Ah電芯采用無鈷高鎳二元材料作為正極活性物質(zhì)，并在電解液中加入正極保護添加劑，以有效保證正極表面CEI膜（電解質(zhì)界面）的穩(wěn)定性，進而避免正極在循環(huán)過程中，容量衰減及存儲過程中出現(xiàn)產(chǎn)氣問題。
目前，業(yè)界使用的正極活性物質(zhì)均為高鎳正極，這會導致電解液在正極表面的分解加劇，因此需要正極保護添加劑來抑制電解液分解。
正極保護添加劑的作用機理大致分為兩類：一是通過特殊官能團與氧化態(tài)金屬離子發(fā)生絡合反應，從而抑制金屬和電解液的反應；另外則是添加劑自身反應，形成一層聚合物膜，覆蓋在正極表面，最終抑制金屬和電解液的反應。
同時，通過在正極材料中加入正極導電劑，可避免因無鈷造成的材料導電性能下降及功率性能降低的問題。導電劑是為了保證電極具有良好的充放電性能，在極片制作時通常加入一定量的導電物質(zhì)，在活性物質(zhì)之間、活性物質(zhì)與集流體之間起到收集微電流的作用。
在115Ah電芯正極中的正極導電劑是SUPER-P（小顆粒導電炭黑）和MWCNT（導電填料多壁碳納米管），通過兩者混合搭建導電網(wǎng)絡，實現(xiàn)導電劑協(xié)同效應，彌補無鈷高鎳正極活性物質(zhì)導電性能差的缺陷，保證正極的功率性能。
SUPER-P屬于親油碳素材料，經(jīng)過雙氧水處理的導電炭黑能顯著降低電池循環(huán)過程中內(nèi)阻變化率，因此能提高電池循環(huán)次數(shù)，原因是其改善了導電劑與正極材料間的結合狀態(tài)。
看上去蜂巢能源真正致力的是做鋰電池正極材料的技術突破研發(fā)。
蜂巢能源開發(fā)的H系列無鈷正極材料，通過“陽離子摻雜技術”、“納米網(wǎng)絡包覆技術”和“單晶化技術”，實現(xiàn)耐壓更強、結構更穩(wěn)定、壽命更長、成本更低的電芯使用周期。單晶無鈷電池熱分解溫度、熱失控溫度和材料可耐過充量都高于NCM811，循環(huán)壽命比NCM811提升50%。
115Ah無鈷電芯的正極材料提升了錳元素的比例，電壓約提升到了3.75V，超過普通三元材料3.6V的平臺電壓，更多的正4價錳離子進一步提升了材料結構的穩(wěn)定性。
因此，就二元層狀高鎳材料來說，正極材料添加了正極保護添加劑和導電劑，并通過單晶化等三項技術處理手段，蜂巢能源研發(fā)的115Ah確實稱得上無鈷電池。
基于無鈷材料的特點，蜂巢能源做了體系優(yōu)化設計，采用高速疊片制造工藝，按照車規(guī)級AI智能制造標準，研發(fā)出這款無鈷電池，并通過150℃的熱箱、140%SOC的過充等系列安全測試，還獲得EC62660-3/GBT31486-2015/GB38031-2020/UL2580等多項認證。
就未來的電池產(chǎn)能布局看，蜂巢能源在德國斥資20億歐元建設歐洲工廠，國內(nèi)則在長三角、華南和西南三大區(qū)域快速布局，僅2021年上半年就在四川遂寧、浙江湖州，安徽馬鞍山和南京溧水等多地投資建設生產(chǎn)基地和智能化工廠，預計2025年全球總產(chǎn)能將突破200GWh。
全球動力電池演化方向
以蜂巢能源的無鈷電池作為觀察產(chǎn)業(yè)發(fā)展的窗口，結合現(xiàn)階段全球車企和電池企業(yè)的最新動向，不難得出這樣的判斷：
一是TWh時代，擺脫核心資源短缺局面正在變的更加緊迫，也成為全球電池企業(yè)的布局方向。
動力電池邁入新的產(chǎn)業(yè)周期，進入TWh時代邁進，大規(guī)模的產(chǎn)能釋放，核心資源供給緊缺的局面正在變的越來越緊迫，尤其是鈷資源的緊張，無論是蜂巢能源布局的無鈷電池，還是寧德時代推出的鈉離子電池，目的都是為了擺脫核心資源的供給短缺。
全球鈷資源儲量目前僅為710萬噸，而中國鈷儲量約為8萬噸，僅占全球儲量的1%左右。全球電動化的大潮下，鈷資源的稀缺將嚴重威脅電動汽車的供應鏈安全。
蜂巢能源無鈷電池的量產(chǎn)，將幫助全球動力電池行業(yè)，尤其是中國動力電池行業(yè)，擺脫對鈷資源的長期依賴，避免其掣肘新能源汽車規(guī)?；l(fā)展，同時，通過去鈷，還將助力動力電池大幅降本。
可預見的是，在蜂巢能源的無鈷電池量產(chǎn)之后，還將有更多的企業(yè)加入無鈷電池陣營，未來幾年，無鈷電池的全球裝機量將有望明顯提升。
二是蜂巢能源無鈷電池量產(chǎn)，標志著全球動力電池技術演化正在告別“日-韓-中”的轉移路徑，中國正在成為全球電池創(chuàng)新的“新高地”。
長期以來，電池材料的基礎創(chuàng)新和核心專利掌握在日韓和歐美國家，中國鋰電產(chǎn)業(yè)盡管在規(guī)模體量上領跑全球，但在基礎材料創(chuàng)新上一直“步人后塵”。
而過去兩年，LFP電池、CTP電池等這些在中國市場得到驗證的技術已經(jīng)成為國際車企的選擇，并正在更大范圍的向全球市場滲透。
蜂巢能源的無鈷電池實現(xiàn)全球率先量產(chǎn)，早于特斯拉、松下、LG等全球企業(yè)。蜂巢能源也以基礎原創(chuàng)性創(chuàng)新，其無鈷電池獲得了69項中國專利、46項國際專利，使得中國鋰電企業(yè)在材料基礎研發(fā)方面取得的創(chuàng)新突破。
未來幾年，依托頭部企業(yè)的創(chuàng)新與突破，中國將在電池底層專利具備與國際對手正面交鋒的實力和底氣。
業(yè)內(nèi)分析認為，在新一輪產(chǎn)業(yè)周期中，以寧德時代、蜂巢能源等為代表的中國隊，正在成為全球電池技術創(chuàng)新的最大陣地，這既體現(xiàn)在基礎材料的研發(fā)與創(chuàng)新上，也體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化過程中的工藝、制造等的迭代與提升上。
而這種創(chuàng)新，將進一步反哺全球，為全球交通電動化和能源體系變革提供技術賦能。
三是創(chuàng)新的電池技術產(chǎn)品正在成為電動汽車品牌號召力和影響力的重要支撐點，能否在電池技術領域持續(xù)創(chuàng)新，將成為車企和C端用戶關注的核心點，也成為車企選擇電池供應商的重要標準。
自2020年以來，無論是比亞迪的刀片電池、廣汽新能源的彈匣電池、東風嵐圖的“三無電池”，還是特斯拉的4680電池、大眾的unifiedCell、通用汽車的Ultium電池等，都不僅是將動力電池作為電動化的核心零部件，而且將其作為面向C端市場打造品牌影響力和產(chǎn)品競爭力的重要“賣點”。
業(yè)內(nèi)分析認為，和燃油車時代的發(fā)動機一樣，動力電池的性能對于電動汽車起到至關重要的作用，也成為消費者在選擇購買時的關鍵衡量標準。對于動力電池企業(yè)而言，是否具備差異化的電池性能、影響用戶心智的品牌影響力，將會成為車企做供應商選擇的重要參照。
從這個意義上講，動力電池企業(yè)的創(chuàng)新力展示與品牌影響力打造，將會在接下來的市場競爭中，變得越來越關鍵。中國日報網(wǎng)，華爾街見聞
