如何正確理解無鈷電池?

【編者按】動力電池的未來,本就有着不同的路線選擇。

本文轉載自童濟仁汽車評論,原作者李夢晨;由億歐汽車整理轉載,供行業內人士參考。

“無鈷電池”的概念太火了。

最開始,燃起了第一把火。特斯拉放出消息稱,他們將採購寧德時代的“無鈷電池”。當時很多觀點認為,此無鈷,其實是磷酸鐵鋰電池。

不久後,比亞迪再添一把火,他們推出了“刀片電池”,本質上仍是磷酸鐵鋰電池,但電池容量有所提升,成本大幅降低。

5月11日,寧德時代發佈2019年業績説明會,除磷酸鐵鋰外,還一直有“無鈷電池”的技術儲備,更多消息可能要等到特斯拉“電池日”做揭曉了。

5月18日,蜂巢能源開了一場發佈會,也與“無鈷”有關,推出了兩款電池產品,分別是115Ah電芯和L6薄片長電芯。

但是,“無鈷電池”的定義準確嗎?我們該如何正解“無鈷電池”?

鋰離子電池一般以正極材料來命名。我們耳熟能詳的三元鋰電池,其正極材料使用了鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰。這正是“三元”的含義。

其中,鈷是一個很關鍵的成分。但是,鈷在全球的儲備量有限,近幾年的價格波動也很劇烈。況且,我國“貧鈷”,如果可以降低動力電池中的鈷比例,也具有一定的戰略意義。

所以,業界一直在努力降低“三元鋰電池”中的鈷比例。

之前,有人站出來説,我們實現“無鈷”了,的確令業界振奮。

但如果實現無鈷的途徑是“換道”磷酸鐵鋰電池,這其實是不成立的。因為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是並行的兩條路線。

如果磷酸鐵鋰可以被稱為“無鈷電池”,那麼,三元鋰電池是不是也可以被稱作“無鐵電池”?

事實上,除了三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之外,動力電池還有“第三條路線”可選,即錳酸鋰系列。

從5月18日蜂巢能源的發佈會來看,他們主攻的電池產品正是鎳錳酸鋰電池。就電池本身而言,這不是一項新技術。畢竟,早在20年前,業界對這一技術已有研究,也有車用。只是,蜂巢能源對這一技術進行了深度優化。

鎳錳酸鋰電池屬於錳酸鋰系列,化學式為LiNi0.5Mn1.5O4,是由Ni取代錳酸鋰(化學式LiMn2O4)中的部分Mn形成的,與錳酸鋰有着同樣的晶體結構。我們能夠見到的紐扣電池用的也是這種正極材料。

蜂巢能源選擇錳酸鋰路線,並沒有問題,因為這本就是一種路線選擇。

但是,“無鈷電池”的稱謂被部分媒體濫用了,其實在無形中“貶低”了三元鋰電池。

甚至,由此説三元鋰電池行將作古,那就更沒有必要了。彼此都是路線選擇,只有放在市場中直接對決,才能分出高下。

我們特意查找了蜂巢能源申請過的專利,申請日期是2019年1月22日,申請號為201910059236.5,專利名稱為“鋰電池用正極材料及其製備方法和應用”,配合發佈會的一些關鍵信息,對於技術的理解會更加準確。

在背景技術中,蜂巢能源提到,他們主攻的技術方向是高鎳正極材料。為什麼要選擇高鎳氧化物呢?主要因為鈷氧化物的價格比較高,而高鎳氧化物價格更低,電池容量也可能更高。

正如同選擇磷酸鐵鋰路線一樣,當結構優化之後,相同體積下,磷酸鐵鋰電池的能量還可以再提高30%以上,價格也相對低廉,在新能源補貼大幅退坡時被再度重視。

那麼,採用高鎳正極材料會遇到什麼挑戰呢?主要在於高鎳氧化物合成時會有鋰雜質留在表面,而該雜質可能會與二氧化碳或水發生反應,由此形成碳酸鋰,反而阻礙鋰離子的自由移動。

蜂巢能源的解決方案是,在正極材料中,摻雜某幾類元素,形成層狀結構複合氧化物,並且在其表面增加硼包覆層。

不過,考慮到專利保護,蜂巢能源並沒有指明具體摻雜了哪幾種元素,以及相關比例,但是劃定了一個範圍。

在發佈會上,蜂巢能源具體解釋了“摻雜元素”的效果。原理描述如下,其一,通過摻雜無未成對的電子自旋特定元素,減弱電子超交換的現象,降低Li/Ni元素的混排,從而提高導電性能;其二,通過摻雜M-O鍵能大的元素,減緩晶體在充放電過程中體積的變化,起到穩定結構的作用。

也就是説,蜂巢能源的研發重心在於正極材料,也有想法親自下場搞定正極材料,並非依靠上游直接供給,其產業鏈的觸手要往前走一步,深度參與,拿下更多的利潤。

這也是一種趨勢。如果原材料價格波動劇烈,將不利於電池廠商對於技術成本的研判,所以,不妨直接介入原材料,從礦山到電池包,一條龍打通,每個環節都有參與,話語權、利潤都可以掌握在自己手中。

此前,寧德時代與礦業巨頭嘉能可達成的鈷供應大單,同樣也是源於此。

正極材料的優化是一方面,蜂巢能源更值得期待的,其實是它的製造工藝。當然,這是一個相輔相成的結果。

按照發佈會上的説法,蜂巢能源使用疊片工藝,並非傳統的卷繞工藝。這麼設計,可以有效提高方形電芯內部的空間利用率,而且疊片結構的平整度更好、應力更均勻,膨脹變形也會更小。

至於PACK端,蜂巢能源將電池包劃分為兩個矩陣網絡,將長形薄片的電池體進行規則排列,由此在電池包內部形成矩陣模塊。

結構優化方向,仍是“長形、規則”,與比亞迪“刀片電池”的思路相仿。但其實為了提升能量密度、增加散熱面積,將電芯做薄、做長是大趨勢。

矩陣化之後,電池的體積能量密度有望提升,還可以節省一些材料成本,長形薄片也有利於電池散熱,並且由於形狀規則,多個電芯可以分散撞擊力,保證一定的剛性安全。

發佈會上,蜂巢能源SHOW出的工廠智能化水平,其實更值得期待,這可能是中國自主力量該有的實力。

最後公佈的兩款電池數據,我們做了截圖。

關鍵點是,首款量產電池最早於明年6月下線,第二款電池可達到135度電容量,續航里程880公里,合作方來自於長城汽車,保持期待。

動力電池的未來,本就有着不同的路線選擇。之前對能量密度過於看重,所以三元鋰電池的聲量更大。如今,行業內對動力電池的性能評價更加全面,在成本、安全、穩定性等的綜合考量下,技術路線選擇也更加豐富。

經過結構優化,磷酸鐵鋰電池再次被重視,其成本優勢也就體現出來了。至於,鎳錳酸鉀電池,其實也是另一條路線選擇。

有一個共同點是,大家都在結構優化上投入了很多精力。比如,寧德時代的CTP技術,比亞迪的“刀片電池”結構,以及蜂巢能源的長形電池、矩陣模塊,甚至也有CTP技術的儲備。

大趨勢幾乎已確定,最終就看各家落地的產品了。

所以,作為行業觀察者的媒體,沒有必要刻意鼓吹某一種選擇。客觀、理性,這才是該有的態度。

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