钜大LARGE | 点击量：388次 | 2022年12月30日
蜂巢能源的无钴前瞻和行动，改变电池游戏规则
当补贴逐渐失去效用，电动汽车进入价格战时，整车和动力锂电池都出现了一些新动向：
比亚迪汉EV600km，小鹏P7706km，威马Maven概念车800km中高端电动汽车的长续航牌在新车上体现的淋漓尽致。
整车续航竞争的核心是动力锂电池。
蜂巢能源、TSLA的无钴电池和CTP方法，比亚迪的刀片电池结构这些近日炒得火热的动力锂电池新概念，成就整车的长续航、降本和安全，成为整车竞争的核心之一。
不是少钴，而是真0钴
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%
无钴电池的概念在近几年一直是各大电池厂的口头热词。基本上，电池厂都认可，动力锂电池少钴化或者无钴化，是行业技术一大趋势，也是必然。
今年，出现了一些无钴电池商业上的炒作，将无钴电池和磷酸铁锂电池划等号的说法。这无疑是玩了一把文字游戏，倒回去找方法。
从正极材料源头直面无钴问题，TSLA、蜂巢能源采取的方法是从少钴走到0钴。
少钴电池包含高镍三元NCM811，NCM90，以及四元电池NCMA。不少电池厂都为如何实现无钴电池的量产殚精竭虑。
TSLA低钴（3%）材料已量产，用于Model3。第二代无钴材料也在加快开发，预计未来两年内应用到电芯中。
蜂巢能源和LG化学采取的少钴电池策略是将NCM和NCA相结合，即将铝掺杂到原始NCM电池正极材料中，开发NCMA四元电池，提高结构稳定性。
接下来，蜂巢的无钴电池将于2021年SOP，将正极材料中的钴含量减到0，彻底去除钴。
从少钴到无钴的开发，电池公司和主机厂都在一点点试探钴含量的底线，确保新电池能够在拔高性能时尽可能地平衡能量密度、安全、寿命和成本。
钴元素在正极材料中重要有两大用途：1、减少锂镍混排；2、抑制充放电过程中的相变，提高材料的结构稳定性。
假如减少钴的用量，提高镍的含量，会导致锂镍混排，从而造成锂的析出，并且无法抑制镍的相变，降低循环性能。因此，钴含量少的NCM811电池有着安全性差及循环寿命衰减较快的问题。
于是，电池公司在高镍三元电池中掺入第四元素，它使得晶粒之间的边界强度增强，减少了有害相变转变的微隙，让材料结构和反应变得更加稳定。
这是否意味着，考虑到钴在减少锂镍混排上的关键用途，它仍是高镍动力锂电池的必须元素呢？
TSLAJefferyDahn研究团队发现，高镍含钴电池中少量的钴用途很小，或几乎没有。
Dahn团队研究了掺杂Al、Co、Mn、Mg（掺杂量为0.05和0.1）对镍酸锂电化学性能、结构和热稳定性的影响。
实验数据表明：1、用Al和Mg替代Co元素同样能够获得非常低的Li/Ni混排率，这表明Co元素关于抑制Li/Ni混排并不是必须的；2、掺杂Mg和Al都能抑制高镍材料的H2-H3相变，从而改善循环寿命；3、掺杂Mg和Al、Mn的无钴高镍材料可以抑制正极和电解液的副反应，安全性也好于高镍含钴材料。
也就是说，找到改善无钴层状材料的镍锂离子混排问题以及循环寿命，实现化学键稳定的技术，可以完全无钴。
无钴电池开发到了什么程度？
现在，蜂巢能源、TSLA正在将无钴电池从理论变为现实。两相比较之下，TSLA多在理论阶段，且有让步的打算，蜂巢的无钴产品经过安全测试，两款产品将于明年SOP。
TSLACEO马斯克2018年在推特上宣示，下一代动力锂电池将是无钴电池。此后它在采用少钴的NCA电池时，内部展开Roadrunner项目，和学术动力锂电池研究团队合作探索不同高镍-掺杂体系下的正极材料。
今年二月，路透社一篇有关TSLA采用CATL无钴电池的报道，立刻吸引了行业的关注。经过挖掘，它采用的是后者的磷酸铁锂电池，真正的无钴电池将在其五月份电池日上公布。
然而，近日路透社的另一篇报道似乎暗示着TSLA电池日不会公布无钴电池，重点将为基于NCM523的长寿命电池。考虑到钴材料的回收，TSLA延迟无钴电池的公布。
若消息属实，无钴电池的研发和量产很有可能将始于蜂巢能源。
蜂巢的无钴电池建立在探索、发展了20年的镍锰酸锂材料上。
早在2000年，T.Ohzuku等学者就发表了结构稳定的层状材料LiNi0.5Mn0.5O2的文章，从理论上证明了镍锰酸锂是一种有前景的材料。
Ohzuku教授是锂电领域的大师，在NCM111、钛酸锂、锰酸锂以及上文提到的镍锰酸锂等电池技术上都有重大贡献。
2001年首次制备出镍锰酸锂的Ohzuku发现，该电池在2.5~4.5V之间约有200mAh/g的比容量（和NCM811相当）。不足在于它存在8%~10%的锂镍混排；循环性能不够理想，要在高电压下充放电。
因此，解决无钴层状材料的镍锂离子混排以及循环寿命问题，关系到无钴电池何时能够商业化。
蜂巢能源通过三项关键技术研发出无钴电池：1、阳离子掺杂技术；2、单晶技术；3、纳米网络化包覆。
掺杂和包裹等改性措施，关于动力锂电池减少锂镍混排、提升材料稳定性不可或缺。单晶材料更耐压，寿命更长久。
首先，掺杂技术，促使过往二元电池、三元电池、四元电池的诞生。钴和锰掺杂到镍酸锂电池中出现NCM和NCA三元电池，NCMA就是铝对NCM的掺杂。从材料体系上看，无钴电池使高镍三元彻底背弃传统三元的体系，回到二元电池时代。
通过阳离子掺杂技术，蜂巢可提高材料的上限电压，实现能量密度比磷酸铁锂电池提高40%。
蜂巢采用了两种化学键能更大的元素，替代钴，掺杂到材料中。通过强化学键稳定氧八面体结构，该技术减少锂镍混排，大幅改善了材料的稳定性，可以在4.3-4.35V电压下稳定工作，使能量密度提高，成本降低。
单晶技术可以改善电池的安全性和寿命。和多晶相比，单晶技术颗粒强度更高，结构更加稳定，耐压力强度可以提高10倍。
电池在极片制作过程中，为了在有限的壳体空间内加入更多的活性材料，要经过高强度辊压。在测试中可以清楚地看到，多晶材料在辊压过程中，颗粒破碎明显，会直接导致正极和电解液反应，出现大量气体，造成电池寿命加速衰减和出现安全问题；同时材料的结构崩塌，使锂离子无法移动，造成寿命快速衰减。
而单晶却非常稳定。正是这种稳定的晶体结构，为无钴材料带来超长的使用寿命，电芯寿命可以比多晶高镍三元高出70%。
纳米网络化包覆，自然界中三角网络是韧性最高的结构。蜂巢在无钴材料的合成过程中采用此包覆技术，在单晶表面包覆一层纳米氧化物，可以减少正极材料和电解液的副反应。该技术有效地改善高电压下的材料循环性能。
当前，蜂巢的无钴材料已完成百公斤级试产，采用该无钴材料的电芯产品同步开发中，能量密度达到240~245Wh/kg。
第一款无钴产品是115Ah，能量密度达到245wh/kg。它能够匹配590标准模组，能够搭载到目前大部分新的纯电平台上，这款产品的电池包在整车端，能够实现15年120万公里的质保。它将在2021年六月份推向市场。
第二款产品是L6薄片无钴长电芯，容量226Ah，能量密度达到240Wh/kg。这款电池正在和长城汽车的一款高端车型做适配开发，预计在2021年下半年推向市场。
蜂巢能源总裁杨红新表示，这款无钴电池通过了国标和欧标的全部安全性测试。结果表明，通过材料掺杂、单晶技术和纳米网络化包裹，蜂巢的无钴电池在能量密度和高镍三元相当，使用寿命和安全性高于高镍三元。
长电芯在制造中更考验制造工艺。在长电芯的制造过程中，叠片工艺比卷绕工艺更加有优势。蜂巢能源已经顺利投产的车规级AI智能厂一期项目，已经成熟掌握了高速叠片工艺技术，已经可以实现L6叠片长电芯的高效率大批量生产。
电池研发不是自嗨，而要真实可用
BEV乘用车选择何种电池，是基于定位而定。近两年OEM公布或上市的新车在推广时大多具有几个特点：平台化，长续航里程，高安全，价格竞争力。
平台化要求动力锂电池能够最大程度地兼容到现有电动汽车平台上，实现最大化的通用性。
杨红新表示，蜂巢分析当前市场上的主销车型宽度后发现，主流的A0级、A级以及B级以上的平台适用于长度在1150mm-1300mm的长电芯。假如按照1米或1米以上的长度做电芯，势必会顾此失彼，某款车可能匹配较好，另外一些或者装不下，或者空间不能足够得到利用，这就违背了提高空间利用率的初衷。也就是说，过长的尺寸会降低对市场主流乘用车的适配性和灵活性。
经测算，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸，似乎可以覆盖到市场上主销的80%的车型的需求。
长而薄的600mm左右的电芯可以装配在矩阵网格中，规则排列组成大型矩阵模块，矩阵之间相互关联又相互独立，正常工况时能够保证整个矩阵模块的刚度，非常规极端工况下，比如侧碰，则能够通过多个电芯分散撞击力，保证整体安全。
矩阵式PACK设计也和之前使用590模组的平台具有很好的兼容切换性，主机厂可以不做额外的修改和变更。
单晶无钴电芯和矩阵式PACK设计，可以实现整车续驶里程达880公里。以长城B级车为例，在L6无钴电池和无模组方法的用途下，它的电量可以达到135度电，续航里程880公里，是国内纯电动汽车续航最长的车型。
为了解决消费者的续航焦虑，车企自2019年下半年推出的新车新增了550公里以上续航的版本。今年尤其疯狂，600公里续航的新车变得普遍，700公里或800公里续航的新车接二连三到来。
动力锂电池必须撑得起主机厂的长续航需求。很明显，蜂巢的无钴电池瞄准了主机厂的此类需求。它和高镍三元CTP电池、四元电池可以成为续航在600km以上紧凑型和中大型车的主流电池选择。
长续航之外，电动汽车不仅要和其他电动汽车比拼价格，更要和燃油车拼价格。占电动汽车总成本四成的动力锂电池，自然也就成为降本重点对象。
电池公司重要从材料创新和结构创新两方面降成本，在正极材料去钴，无模组设计提高成组效率。
探索无钴方法，最重要的原因就是降本。电芯整体成本中，原材料成本占据很大比例，特别是正极材料占到整个材料成本的40%。大力发展和推广降低成本的正极材料，也就成为降低电池成本的重中之重。
无钴技术的实现，可使电芯成本下降10-15%，完全摆脱正极材料对钴的依赖。同时，无钴材料电池还防止了材料受战略资源影响情况的出现。
杨红新解释称，无模组矩阵式PACK设计能够降低PACK非增值件的重量，在保证安全性的前提下能够做到80%的成组效率（传统模组的PACK水平在72%，VDA电芯CTP做到75%）。
当新电池技术处处为整车开发和应用考虑，它才能让主机厂发挥出电动汽车平台的最大效益。
有业内人士曾评价当前推出的动力锂电池新方法，动力锂电池作为电动汽车的关键零部件，是否能成为主流趋势重要取决于下游整车客户是否会大规模采用。
让电池适用于车，适用于已经定型或正在定型的电动汽车平台，而非车适用于电池。
