蜂巢的无钴电池是怎样炼成的

电动汽车观察家 2020-05-20 08:41:27

天下苦钴久矣：三元动力电池成为电动汽车主流，但是三元中的“钴”，价格变动剧烈，同时开采中面临童工、环保问题，让动力电池企业，乃至电动汽车企业颇为头疼。

现在，中国一家动力电池新势力，宣布打造出了无钴电池：2020年5月18日，蜂巢能源科技公司线上发布了两款无钴电池，可以实现最高达880公里的续航里程。

这里所说的无钴电池，即电池镍钴锰三元电池中，去掉了钴元素，形成镍锰酸锂电池。它的价格低于高镍电池，能量密度高于磷酸铁锂电池，是600-800公里级别车辆配套的新选择。

据蜂巢能源总裁杨红新介绍，目前他们的无钴电池已在中试线已成功完成500千克级中试，并进入吨级小批量生产阶段。

材料配比方面，镍（Ni）含量70%~80%，锰（Mn）含量是20~30%。

第一款产品是是基于590模组的电芯设计，容量为115Ah，电芯的能量密度达到245wh/kg，能够搭载在大部分新型纯电平台上，明年6月份推出；L6薄片无钴长电芯，容量226Ah，配合矩阵式pack，可实现880公里续驶里程，2021年下半年实现量产。

这么漂亮的电池参数，这么接近的量产时间。蜂巢能源是怎样搞定了无钴电池的量产难题的呢？

钴含量：降低、降低，再降低

镍钴锰锂离子电池三元体系中，三种元素各司其职，镍可以提高材料活性，提高能量密度；钴是活性物质，既能稳定材料的层状结构，又能减小阳离子混排，便于材料深度放电，从而提高材料的放电容量；锰在材料中起到支撑作用，提供充放电过程中的稳定性。

所谓阳离子混排，是指锂离子电池正极材料中不同阳离子混合占位，阳离子混排会对材料的首次效率、可逆容量、循环性等电化学性能造成影响，因此要尽量消除。

钴的稳定性之所以重要，是因为钴的增加能有效减少阳离子混排，降低阻抗值，提高电导率和改善充放电循环性能，但随着钴含量增加，成本也在增加。

由于钴的储量小，地缘政治不稳定，价格容易被操控。2017年，伦敦金属交易所钴价格涨到了75000美元一吨，全年涨幅超过130%，进入2018年2月2日，钴价突破80000美元整数关口，3月21日，创出95000美元一吨的10年新高。

此外，钴的开采还涉及童工和手抓矿等问题。

钴矿石

也因此全球电池供应商都在致力于降低锂电池中钴含量，从最早钴酸锂中的59%，到目前普遍应用的NCM523中的12%，再到NCM811中的7%。

钴含量还要更低，最好没有。

2019年，SKI总经理金俊在记者招待会上宣称，年内开发的新一代电动车电池名叫“NCM91/21/2”，即在用作正极材料的原材料中镍的比重为90%，钴和锰各占5%。

松下和特斯拉的“无钴”宣言更早。2018年，松下宣布正在开发无钴电动汽车电池。松下汽车电池部门的负责人田村坚表示：“我们已经大大降低了钴在电池中的含量，钴在三元电池中的比例已经降到3%，现在我们的目标是实现无钴化，这项技术已经在研发当中。”

特斯拉CEO马斯克在社交媒介上表示，在特斯拉Model 3的电池中，含钴量已经降到不到3％。他们将继续改进技术，争取在下一代电池中完全抛弃钴。

宁德时代也表示，已经储备无钴电池技术。

如今，蜂巢能源抢先一步发布了完全不含钴的镍锰酸锂电池。

三技术解决“无钴”瓶颈问题

想要无钴也没那么简单。

有业内人士质疑，认为镍锰酸锂电压平台较高，电解液会发生氧化分解情况。中国科学院物理研究所研究员黄学杰在“尖晶石镍锰酸锂正极材料的研究”的主题发言时曾提到，不同正极材料有不同的电压平台，镍锰酸锂的电压平台在4.5V左右，常规的电解液会发生氧化放电，接着一些锂就回不去了，材料表面上这个四氧化三锰也出来了，这种困难让很多人对镍锰酸锂望而却步。

要实现无钴化，就要解决三个问题，一是Li/Ni混排问题，二是循环性能差的问题；三是，高电压平台下电解液氧化分解的问题。

黄学杰给出的方法是，对材料表面进行包覆和热处理，引入复杂的过渡金属元素，例如引入含磷的化合物，室温半电池可以做到99.8%以上的效率，全电池还可以改进接着去提高。

黄学杰提出的方法，与蜂巢能源的思路颇为相似。

蜂巢能源主要是通过三项技术来解决上述问题，阳离子掺杂技术、单晶技术和纳米网络化包覆技术。

所谓阳离子掺杂技术，蜂巢能源是采用与氧化学键键能高的阳离子掺杂到晶体结构中，提高材料的上限电压。杨红新解释，蜂巢能源是采用了两种化学键能更强大的元素替代钴，掺杂到材料中。通过强化学建稳定氧八面体结构，减少Li/Ni混排，大幅改善的材料的稳定性，并可以在4.3——4.35V电压下稳定工作，能量密度比磷酸铁锂提高40%，而成本降低。

第二项关键技术是单晶技术。电池在极片制作过程中需要经过一道关键的工序——高强度的辊压，这是为了在有限的空间之内加入更多的活性物质，所以要追求更高的压实密度。多晶材料在辊压过程中颗粒破碎明显，会直接导致正极与电解液反应产生大量的气体，造成电池寿命加速衰减和产生安全问题；同时材料的结构也会崩塌，锂离子无法移动，造成寿命会快速衰减。单晶材料具有更强的颗粒强度和更加稳定的结构，压力强度比多晶可以提高10倍，能够有效提升电池的能量密度，同时单晶材料不容易崩塌，电芯寿命可以比多晶高镍三元电芯高出70%。

第三项黑科技技术——纳米网络化包覆技术。蜂巢能源在无钴材料的合成过程中，采用了纳米网络包覆技术，在单晶表面包括一层纳米氧化物，可以减少正极材料跟电解液的副反应，该技术有效的改善了高电压下的材料循环性能。

电芯、pack设计，

助力能量密度、寿命再提升

从材料层面，解决了无钴带来的问题，但蜂巢能源希望从电芯、pack的设计层面设计层面使电池性能再上一个台阶。

蜂巢能源在产品工艺上选择叠片工艺，可以有效提高方形电芯内部的体积空间利用率，层状结构可以使极片的平整度更好，应力更均匀，膨胀变形也更小，该设计可以使无钴电芯在能量密度方面再提升5%，循环寿命上再提升10%。

此外，长薄电芯的设计是两侧出极耳。这样可以做到电芯底部和顶部都是平整的，没有极耳传统的电芯是在顶部有两个极耳。杨红新认为，这一设计为热管理带来了变革。传统电芯只能靠单一地面冷却的形式，那么我们这种电芯可以通过上下双层冷却，更精准的控制电池的温度。“相对传统pack可以提升冷却效果40%，低温加热达到每小时60~70摄氏度，温度误差控制在20~35度之间，温差控制在5摄氏度以内。”