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“无钴电池”应用于电动汽车具备可行性

“无钴电池”应用于电动汽车具备可行性

目前用于消费电子、新能源乘用车、电动物流车等领域的锂离子电池主要采用了钴酸锂、三元、高镍等含钴正极材料。

正极中钴元素的使用存在以下风险:

1)价格高:电池成本占电动汽车总成本40%以上,普及电动汽车必须要大力发展和推广降低成本的正极材料。含钴正极材料的金属元素价格中,钴是镍的2-6倍,是锰的20-60倍。

2)资源少:我国钴资源不足,90%以上依赖进口。如使用含钴正极的电池,电动汽车发展将受制于人。

3)受牵制:钴资源多分布在政治局势动荡的非洲地区,原料供应不稳定。且钴资源掌握在嘉能可等寡头手中,炒作也是其价格波动的原因之一。

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无钴高镍材料的可行性

近年来,美国特斯拉、日本松下、住友金属矿山、韩国LG公司都在加大无钴正极材料的开发力度。2019年1月,加拿大著名学者Jeff R.Dahn公开发表了无钴高镍材料具备可行性的文章,同年5月“第四届全球锂电技术峰会”发表了相关报告,从理论和实验上证明了无钴高镍材料具有一定的可行性。

据悉,美国特斯拉第一代低钴(5%)材料已经完成开发,即将量产,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。国内各大公司也在进行无钴材料的开发,预计2020-2022年会陆续有新的产品推出。

一般认为,Co掺杂可以防止镍酸锂材料中的Ni2+和Ni+混排,抑制充放电过程中的相变,提高材料的结构稳定性,但在高镍材料(Ni≥0.9)中掺杂少量的Co(≤0.1)所起的作用仍有存疑。Jeff Dahn团队早期研究发现LiNi0.9Co0.05Al0.05O2和LiNi0.95Al0.05O2、LiNi0.95Mn0.05O2的电化学性能非常接近,正极材料中有望不再含有钴。Jeff Dahn团队进一步系统研究了掺杂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。从实验数据看,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。ARC测试表明,掺杂Mg和Al的无钴高镍材料安全性也好于高镍含钴材料。因此可以认为,在NCA类型的高镍(Ni>90%)材料中,Co的作用很小或几乎没有。

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钴元素由于自身特殊的电子结构,在三元材料中起到增强导电性,提高充放电可逆性的主要作用。去除钴元素后,材料的导电性急剧下降。无钴材料的开发难点关键在于如何提高材料的导电性和稳定性。理论研究和实验结果表明,通过结构调整和工艺优化,无钴材料的离子电导率可达到LFP水平,循环寿命也能够大大改善。

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不同元素比例对材料的稳定性和锂镍混排的影响

众所周知,LFP材料的离子电导率很低,约10-11S/cm,而三元材料及无钴材料在10-4S/cm数量级;离子电导率的本征差异,造成LFP功率性能降低。

无钴电池可用于电动车

来自蜂巢能源的同型号软包测评数据对比表明,LFP电芯DCIR比NCM811电芯增加约30%,充电功率降低约55%,放电功率降低约20%;无钴电芯DCIR比NCM811电芯增加约30%,充电功率降低约40%,放电功率降低约5%;但是LFP电芯组装成电池包后,随着充放电过程中温升的增加,与三元功率性能差异明显缩小,并成功实现在储能、乘用车等方面的商业化应用。同理,在常规含钴正极基础上去除钴元素后,离子电导率虽然有所降低,但通过无钴材料本身、电化学体系和电池包的合理设计,应用于电动汽车电池是可行的。

无钴材料常温循环优于NCM811材料,高温循环稳定性与NCM811接近;

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当前,蜂巢能源科技有限公司自主研发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;

产品测试对比分析表明,相比NCM811电芯产品,无钴电芯常温DCIR增加23%,但功率仅降低1%,-20℃DCIR增加60%,但功率仅降低9%,综合性能与三元电芯基本相当。

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因此,从材料和电芯产品层级数据证明,无钴电池是可以应用于电动汽车的,“无钴电池”可以无钴。

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