钜大LARGE | 点击量：963次 | 2021年12月21日
无钴电池能否成为主流？揭秘无钴115Ah量产装车背后的科技
尽管已有预期，但蜂巢能源先于电池技术巨头宁德时代和特斯拉，率先量产无钴电池，还是震动了业界。
这真是无钴电池？蜂巢能源如何做到NCM（镍钴锰酸锂电池）在没有Co（钴）的情况下，继续保持原先三元锂电池性能的稳定、提升安全性及降低成本？
在未来，蜂巢能源无钴电池产能布局有何规划？
H系列：无钴115Ah量产装车
8月29日，蜂巢能源官宣由其开发的全球首款无钴电池包115Ah（H系列），正式搭载长城欧拉首款SUV车型樱桃猫，实现量产装车。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
这款115Ah无钴电池包（以下若无特别说明，均指H系列115Ah无钴电池），实际路测结果怎样？
据蜂巢能源CEO杨红新称，自2020年搭载欧拉样车路测开始，蜂巢能源无钴电池包通过涉水实验、强化路试、整车充放电性能、急加速、减速电池性能、全车电池包绝缘检查等多项整车性能测试，累积测试里程80万公里，测试数据表现优异。
蜂巢能源无钴电池产品之前装车路试结果显示，产品通过150℃热箱测试和过充测试，循环与日历寿命高于目前量产811型三元锂电池水平，已具备在长里程车上替代三元高镍的性能水平以及成本竞争力。
8月31日，蜂巢能源无钴电池材料技术负责人向华尔街见闻透露，此次量产装车的115Ah无钴电池包，材料成本比811型NCM（镍钴锰酸锂）电池降低8%-10%，能量密度提升5%，电芯循环超过3000次（三元锂电池充放电循环约1500次）。
这位负责人说，“以工薪族私家车日常行驶情况看，115Ah无钴电芯使用寿命约为10年。”2020年9月28日，杨红新曾对外称115Ah无钴电芯相比同级高镍NCM电池，使用寿命延长50%。
目前，蜂巢能源无钴电池共规划四款量产产品，分别是无钴H系列115Ah电芯、155Ah电芯，HPlus系列157Ah电芯和无钴E系列115Ah电芯，覆盖中里程至超长里程（300km-800km）、从微型车到全尺寸的全系车型。
其中，无钴H系列115Ah电芯和155Ah电芯能量密度为240Wh/kg，115Ah产品即此次实现量产装车的无钴电池包。
华尔街见闻了解到，搭载在长城紧凑级SUV车型樱桃猫上，115Ah无钴电池包常温工况下续航里程超过600公里；5秒内可实现整车百公里加速；防水性能达到IP67；低温情况下，能量保持率高，加热速度快。
H系列与E系列产品的区别在于采用的材料和技术不同，因而主打里程数也不同：H系列无钴电池主打超长里程，而E系列为中里程技术方向。值得一提的是，就性能来说，H系列无钴电芯可替换同级高镍三元锂电池，而E系列则能取代磷酸铁锂电池。
E系列电芯材料主要采用高浓度阳离子掺杂和纳米网络化包覆、微观粒径控制、嵌锂路径优化，计划在2021年将容量做到160mAh/g，2023年提升至170mAh/g。
H系列电芯材料则以纳米网络包覆技术，采用单晶化技术和阳离子掺杂的氧八面结构，2022年将电池容量从180mAh/g提升到185mAh/g。
钴不可或缺但正遭摒弃
蜂巢能源前身是长城汽车动力电池事业部，2018年从长城汽车剥离并独立为蜂巢能源科技有限公司。蜂巢能源主要从事电池材料、电芯、模组、电池系统和BMS（BatteryManagementSystem：电池管理系统）的研发与产品制造。
“无钴电池，业界有很多概念。有公司曾推出的无钴电池，后来被证明，实际上是磷酸铁锂电池，并非是采用层状结构镍锰酸锂的无Co（钴）电池。
事实上，包括宁德时代、比亚迪和特斯拉等在内的新能源电池上下游公司，均先后都提出过无钴电池的研发消息，但至今仍未有进一步进展，更没有量产消息。
Co在锂电池中的作用是什么？为何在技术上难以取得无Co突破？
要明了Co的作用，首先要知道三元锂电池的材料结构和Co元素对三元锂电池材料动力学的作用。
三元锂电池主要由正负极、隔膜和电解液构成。
其中，正极材料为锂氧化物，如NCM（镍钴锰酸锂）和NCA（镍钴铝酸锂），负极材料为石墨，正负极之间以多孔材质的隔膜做隔离。通过隔膜空隙，锂离子在正负极之间游走，进而产生电流，实现电池充放电循环。
当电池充电时，锂离子由正极通过隔膜移动到负极，但正极原先由锂离子所在的位置就会被镍离子占据。
此时，若有放电，锂离子就从负极回到正极。但因其原有位置为镍离子所占，故锂离子就会去填补镍离子所在位置，如此则形成“镍锂混排”，从而导致电池寿命缩短，电池容量下降或发生其他危险。
为防止这种情况的发生，就需要钴元素加持。钴，化学元素符号Co，原子序数27，在化学元素周期表中位于第4周期、第Ⅷ族的金属，是电池制造中相当重要的正极原材料。
在三元锂电池的材料结构中，镍元素的作用是提升并稳定三元锂层状结构整体的能量密度，而钴元素主要功能是抑制镍离子因活性而“侵夺”锂离子在正极中的位置，防止出现“镍锂混排”，从而稳定三元锂电池的层状结构。
此外，钴元素还有提高材料电子电导率、改善倍率性能、降低材料阻抗值和降低电芯内阻等功能。
基于钴的作用如此关键，尤其是钴能减少阳离子混排，以便于材料深度放电，提高材料放电容量、循环性和倍率性能，因此三元锂电池要做到无钴，非常困难。
既然钴的作用如此明显且不可或缺，为何业界亟欲除之而后快？
因为钴不可再生，储量很少，成本很高。
多家机构统计数据表明，眼下全球钴探明的储量仅约710万吨，有超过50%的全球钴储量在刚果。但作为全球最大的新能源汽车消费市场也是最大的钴产品消费国，中国已探明的钴储量仅约8万吨，占全球总储量的1.14%。
为了在未来不因缺钴而陷入无动力电池可用的窘境，国内新能源汽车电池制造商致力于两种技术路线的研发：一种是以比亚迪为代表的刀片式磷酸铁锂技术研发方向；另一种即蜂巢能源致力的无钴电池。
真正的无钴电池如何炼成
8月29日，蜂巢能源推出H系列无钴电池包115Ah，震动业界，但业内同时仍出现质疑：主要集中在无钴电池怎么做到电池性能不变、稳定性好、寿命更长、成本还低？到底是不是真正的无钴？
据华尔街见闻从蜂巢能源无钴材料技术处了解，115Ah电芯采用无钴高镍二元材料作为正极活性物质，并在电解液中加入正极保护添加剂，以有效保证正极表面CEI膜（电解质界面）的稳定性，进而避免正极在循环过程中，容量衰减及存储过程中出现产气问题。
目前，业界使用的正极活性物质均为高镍正极，这会导致电解液在正极表面的分解加剧，因此需要正极保护添加剂来抑制电解液分解。
正极保护添加剂的作用机理大致分为两类：一是通过特殊官能团与氧化态金属离子发生络合反应，从而抑制金属和电解液的反应；另外则是添加剂自身反应，形成一层聚合物膜，覆盖在正极表面，最终抑制金属和电解液的反应。
同时，通过在正极材料中加入正极导电剂，可避免因无钴造成的材料导电性能下降及功率性能降低的问题。导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能，在极片制作时通常加入一定量的导电物质，在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用。
在115Ah电芯正极中的正极导电剂是SUPER-P（小颗粒导电炭黑）和MWCNT（导电填料多壁碳纳米管），通过两者混合搭建导电网络，实现导电剂协同效应，弥补无钴高镍正极活性物质导电性能差的缺陷，保证正极的功率性能。
SUPER-P属于亲油碳素材料，经过双氧水处理的导电炭黑能显著降低电池循环过程中内阻变化率，因此能提高电池循环次数，原因是其改善了导电剂与正极材料间的结合状态。
看上去蜂巢能源真正致力的是做锂电池正极材料的技术突破研发。
蜂巢能源开发的H系列无钴正极材料，通过“阳离子掺杂技术”、“纳米网络包覆技术”和“单晶化技术”，实现耐压更强、结构更稳定、寿命更长、成本更低的电芯使用周期。单晶无钴电池热分解温度、热失控温度和材料可耐过充量都高于NCM811，循环寿命比NCM811提升50%。
115Ah无钴电芯的正极材料提升了锰元素的比例，电压约提升到了3.75V，超过普通三元材料3.6V的平台电压，更多的正4价锰离子进一步提升了材料结构的稳定性。
因此，就二元层状高镍材料来说，正极材料添加了正极保护添加剂和导电剂，并通过单晶化等三项技术处理手段，蜂巢能源研发的115Ah确实称得上无钴电池。
基于无钴材料的特点，蜂巢能源做了体系优化设计，采用高速叠片制造工艺，按照车规级AI智能制造标准，研发出这款无钴电池，并通过150℃的热箱、140%SOC的过充等系列安全测试，还获得EC62660-3/GBT31486-2015/GB38031-2020/UL2580等多项认证。
就未来的电池产能布局看，蜂巢能源在德国斥资20亿欧元建设欧洲工厂，国内则在长三角、华南和西南三大区域快速布局，仅2021年上半年就在四川遂宁、浙江湖州，安徽马鞍山和南京溧水等多地投资建设生产基地和智能化工厂，预计2025年全球总产能将突破200GWh。
全球动力电池演化方向
以蜂巢能源的无钴电池作为观察产业发展的窗口，结合现阶段全球车企和电池企业的最新动向，不难得出这样的判断：
一是TWh时代，摆脱核心资源短缺局面正在变的更加紧迫，也成为全球电池企业的布局方向。
动力电池迈入新的产业周期，进入TWh时代迈进，大规模的产能释放，核心资源供给紧缺的局面正在变的越来越紧迫，尤其是钴资源的紧张，无论是蜂巢能源布局的无钴电池，还是宁德时代推出的钠离子电池，目的都是为了摆脱核心资源的供给短缺。
全球钴资源储量目前仅为710万吨，而中国钴储量约为8万吨，仅占全球储量的1%左右。全球电动化的大潮下，钴资源的稀缺将严重威胁电动汽车的供应链安全。
蜂巢能源无钴电池的量产，将帮助全球动力电池行业，尤其是中国动力电池行业，摆脱对钴资源的长期依赖，避免其掣肘新能源汽车规模化发展，同时，通过去钴，还将助力动力电池大幅降本。
可预见的是，在蜂巢能源的无钴电池量产之后，还将有更多的企业加入无钴电池阵营，未来几年，无钴电池的全球装机量将有望明显提升。
二是蜂巢能源无钴电池量产，标志着全球动力电池技术演化正在告别“日-韩-中”的转移路径，中国正在成为全球电池创新的“新高地”。
长期以来，电池材料的基础创新和核心专利掌握在日韩和欧美国家，中国锂电产业尽管在规模体量上领跑全球，但在基础材料创新上一直“步人后尘”。
而过去两年，LFP电池、CTP电池等这些在中国市场得到验证的技术已经成为国际车企的选择，并正在更大范围的向全球市场渗透。
蜂巢能源的无钴电池实现全球率先量产，早于特斯拉、松下、LG等全球企业。蜂巢能源也以基础原创性创新，其无钴电池获得了69项中国专利、46项国际专利，使得中国锂电企业在材料基础研发方面取得的创新突破。
未来几年，依托头部企业的创新与突破，中国将在电池底层专利具备与国际对手正面交锋的实力和底气。
业内分析认为，在新一轮产业周期中，以宁德时代、蜂巢能源等为代表的中国队，正在成为全球电池技术创新的最大阵地，这既体现在基础材料的研发与创新上，也体现在产业化过程中的工艺、制造等的迭代与提升上。
而这种创新，将进一步反哺全球，为全球交通电动化和能源体系变革提供技术赋能。
三是创新的电池技术产品正在成为电动汽车品牌号召力和影响力的重要支撑点，能否在电池技术领域持续创新，将成为车企和C端用户关注的核心点，也成为车企选择电池供应商的重要标准。
自2020年以来，无论是比亚迪的刀片电池、广汽新能源的弹匣电池、东风岚图的“三无电池”，还是特斯拉的4680电池、大众的unifiedCell、通用汽车的Ultium电池等，都不仅是将动力电池作为电动化的核心零部件，而且将其作为面向C端市场打造品牌影响力和产品竞争力的重要“卖点”。
业内分析认为，和燃油车时代的发动机一样，动力电池的性能对于电动汽车起到至关重要的作用，也成为消费者在选择购买时的关键衡量标准。对于动力电池企业而言，是否具备差异化的电池性能、影响用户心智的品牌影响力，将会成为车企做供应商选择的重要参照。
从这个意义上讲，动力电池企业的创新力展示与品牌影响力打造，将会在接下来的市场竞争中，变得越来越关键。中国日报网，华尔街见闻
