钜大LARGE | 点击量：686次 | 2023年01月05日
锂电池和钴之漫谈
钴，元素符号Co，银白色铁磁性金属，表面呈银白略带淡粉色，在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族，原子序数27。钴在常温下不和水用途，在潮湿的空气中也很稳定，是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料，特别在现在的锂电池中，有非常重要的用途。
为何锂电池要钴元素？首先得好好看看锂电池的组成。
我们常常说，锂电池可以分为六大类。即钴酸锂（LiCoO2），锰酸锂（LiMn2O4），镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或称NMC），镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或称NCA），磷酸铁锂（LiFePO4）和钛酸锂（Li4Ti5O12）。
以上这些称呼有一个问题，容易让初学者误以为锂电池的成分基本就是钴酸锂/锰酸锂/镍钴锰酸锂等等。事实当然不是这样。
首先我们要了解锂电池的组成。它是由正极材料（阴极材料）、负极材料（阳极材料）、电解液和隔膜四大部分组成。除此之外，箔材集流体也是锂电池重要的组成部分。
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%
这里特别要注意的是，和传统认知不符的是，电池的阴极材料等于正极材料，而阳极材料等于负极材料，许多人这里容易弄错。当然，这样说其实是不严谨的，网上有很多这方面的论述，有兴趣的可以查查看。
回到正题，正极材料是决定锂电池性能和成本，也是制约电池容量进一步提高的第一关键因素。上述所有钴酸锂/锰酸锂/镍钴锰酸锂等材料其实全是正极材料的活性物质，研究人员为了提高电池容量，不断想方设法改进正极材料，这就是为何锂电池有这么多种类的原因。
粉末状镍钴锰酸锂
负极材料，现在以碳素材料为主，具体来说综合成本和性能种种考虑，重要用的是人造石墨。为何用石墨？研究发现，锂电池的负极材料要一些特定的性能，那就是能够耐高温，耐腐蚀，具有良好的导电性、导热性和稳定的化学性能。而石墨导电性好，结晶程度高，具有良好的层状结构，十分适合锂离子的反复嵌入-脱嵌，加上价格相对便宜，所以成为锂电负极材料现阶段最好的选择。当然，材料没有最好只有更好，正在研究当中或已是实验室级别的性能更好的负极材料还有硅碳类、锡基、氮化物、合金类、纳米级材料等，但基本由于技术不成熟，价格很高等缺点还不能投入实际应用。
电解液，是锂电池中离子传输的载体，一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。有机溶剂常见的有，碳酸乙烯酯（C3H4O3）、碳酸丙烯酯（C4H6O3）、碳酸二乙酯（C5H10O3）、碳酸二甲酯（C3H6O3）、碳酸甲乙酯等，它们很明显都是碳氢氧的化合物。而电解质锂盐最常见就是六氟磷酸锂（LiPF6），除此之外还有四氟硼酸锂（LiBF4）、二草酸硼酸锂（LiBOB）、草酸二氟硼酸锂（LiDFOB）、双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）、双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）、二氟磷酸锂（LiPF2O2）和4,5-二氰基-2-三氟甲基咪唑锂（LiDTI）等新型锂盐。好的电解质锂盐要有较低的解离能和较高的溶解度。低解离能保证锂盐溶解后形成的电解液具有较高的电导率，进而实现电池的高倍率；而高溶解度保证电解液中具有足够的锂离子进行传输。六氟磷酸锂在这方面性质较好，除此之外，它在电导率、铝箔腐蚀和价格上都有优势，所以才成为当前第一选择的电解质锂盐。电解液添加剂，它不参加电解过程的电极反应，但可以改善电解过程，使之处于更佳的状态。它一般是天然或人工合成的有机或无机化合物，种类很多，其性质和用途各异，一般可区分为动植物胶、表面活性物质、起泡剂、盐类等，它不可缺少，但是用量一般很小，所以这里不做过多的拓展。
隔膜，位于正极和负极之间，基本用途是将正负极活性物质分隔开，防止两极因接触而短路；此外在电化学反应时，不阻止锂离子在正负极之间移动。聚乙烯、聚丙烯等聚烯烃微孔膜是现在最常见的制隔膜材料。
箔材集流体，可以算是锂电池的第五大组成部分，但也可以分别归类为正负极材料的一部分。它分别是正极导电集流体的电解铝箔，和负极导电集流体的电解铜箔。正极铝箔一般厚度10-20微米，负极铜箔一般厚度7-15微米，随着技术水平的提高，正负极箔材厚度都在不断降低。制备好的电池正负极是将钴酸锂石墨等活性物质均匀涂覆到箔材上，经过干燥固化、碾压、冲制等工艺形成的。
石墨铜箔
看完锂电池四加一组成部分，很明显能够看出，有钴元素的部分只有正极材料。但这丝毫不能降低钴在整个电池系统中的用途。
前面提到过的六大重要种类的正极活性材料，其中锰酸锂和磷酸铁锂由于体积大、能量密度低或成本高而逐渐淡出。纯锰酸锂电池现在很少，它们只在特殊情况下应用，或者和镍锰钴（NMC）混合使用，以提高比能量并延长寿命。磷酸铁锂安全性能好，但能量密度较低，低温性能较差，也慢慢不被厂商选择。而关于钛酸锂，它的优缺点过于明显，使用寿命长、稳定是其优点，但能量密度低是一个致命缺点。所以它不适合作动力能源，也不适合当下的电动汽车市场。
其余三种电池都含钴。其中，钴酸锂电池一直都不是汽车动力锂电池的好选择，它适合小型电池，理论容量高，但实际容量却只有理论的一半，早期的TSLARoster据说采用的就是钴酸锂电池，也是唯一一家大家知晓用过钴酸锂电池大的汽车厂商，但后来改成了现在的镍钴铝酸锂。剩下的两种，就是现阶段最流行的两个方向-三元材料镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）。
钴在其中，是可以明显提升锂电池的能量密度和电池寿命的关键因素，因为在电池运行过程中，当锂离子可逆地充入阴极或从阴极中抽出时，钴可保持层状结构稳定。
但由于价格昂贵，全世界一直都在研究如何降低钴在锂电池中的比例，甚至希望造出无钴电池。但问题是，锂电的发展就是从无钴电池发展到有钴的，磷酸铁锂电池已基本被淘汰，难道又要回到老路上吗？
为何大家都不想用钴呢？
首先看我国。我国的钴的探明储量大概是8万吨，占全世界探明储量的1.8%，而且矿山分布极其分散。刚果金的钴含量占全世界储量的一半，每年刚果金生产钴金属量是6万吨，占全球钴产量的60%左右，接近我国的总储量。所以我国很大程度上依赖进口。又因为众所周知的刚果金的童工问题，在道德上，钴的使用让人感觉负面影响很大。
欧美汽车业更加不希望受制于钴，因为他们认为刚果金钴矿的提取和加工绝大多数由我国控制。美国有报道称：得益于产业政策，我国公司在国内外生产和生产电动汽车所需的关键原材料方面占主导地位。我国在刚果金钴资源的投资比例很高。按价值计算，2018年，我国占刚果金钴矿和精矿出口的85％以上。我国公司拥有或投资拥有至少12个拥有钴储量的矿山实体。除此之外，我国公司还投资于刚果民主共和国的钴加工及其周围的整合供应链。我国有色金属矿业集团在刚果金建立了广泛的浸出厂和冶炼厂网络，以及矿产研发中心。其他供应链利用我国不同参和者之间的战略联盟和承购协议，例如我国的金川集团将其在刚果民主共和国Ruashi矿山生产的氢氧化钴出售给自己的业务及其关联公司，在Musonoi铜钴矿山生产的氧化物矿石出售给我国的盛屯矿业建设和运营的冶炼厂。总而言之，西方国家对我国的警惕心非常高，不能被他们控制的产业，就不是一个健康的产业。所以钴的应用欧美也是不得已而为之。
无论欧美对此多么警惕，暂时只能无可奈何，无论是镍钴锰酸锂（NCM）还是镍钴铝酸锂（NCA）都是现阶段最好的选择。我国在新能源汽车领域已经形成了一定的供应链优势，在全球性博弈中，集团性合力无法阻挡。比如TSLA在官方宣传中表示将致力于减少电池中的钴含量，所谓核心目的是改善环境，但实际上还是不想被我国扼住咽喉。但他们无法彻底脱离我国的影响力，我们在这方面技术领域无所不在。比如我国最大的电动汽车电池制造商CATL就是TSLA最新计划（尤其是磷酸锂计划）的关键技术合作伙伴。
