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特斯拉、比亚迪做不出的无钴电池,蜂巢能源凭什么敢说明年量产?

2012年,长城汽车决定开展锂离子电芯的研发工作,于是成立了电池项目组。而后,为了兑现自己电动化走向世界的承诺,这个动力电池事业部独立出来成立了蜂巢能源。变革、更新,似乎是蜂巢能源从创立之初就被定下的准则,这不只是一家电池厂的成果,更是背后一个汽车品牌的勃勃野心。

5月18日,这家由长城汽车独立出来的动力电池企业蜂巢能源宣布正式推出无钴电池,这种无钴电池做到了真正意义上的无钴,将传统镍钴锰电池中的钴元素剥离出来,正极材料仅为镍锰,实现钴含量为0的目标。

特斯拉、比亚迪做不出的无钴电池,蜂巢能源凭什么敢说明年量产?

蜂巢能源也不只是纸上谈兵,而是将想法落地,就在发布会上推出了两款无钴电池,一款能量密度达到了245Wh/kg,容量为115Ah,续航里程能达到600km,明年6月前即可正式量产;另一款电池容量为226Ah,能量密度达到了240Wh/kg,续航里程达到880km,也将在明年下半年实现量产。

近几年,电池制造商纷纷致力于发展无钴电池,但到目前为止并没有真正意义上的无钴电池商业化。那么,钴在电池中就真的那么重要吗?

是的,就是那么重要。锂离子电池充放电循环高电流密度条件工作时,正极材料在电池反应中和电解液在循环更为不稳定性,材料表面会生成一层阻碍膜,增加电池的阻抗,也会导致电极材料的结构崩塌,让锂离子的嵌入更困难,从而影响电池输出的电流和电压,并产生安全隐患。

简单来说,没有钴,会让电池的寿命和安全性降低。

那么,要延长电池寿命,提高电池安全性,减缓材料表面阻碍膜的生成和维持电极材料的结构就是关键。

钴就可以起到这个作用。

以目前应用最广的镍钴锂NCM电池为例,钴的加入可以稳定正极材料的层状结构,并提高材料的循环和倍率性能。

钴

但钴在电池中只起到稳定结构的作用,不参与充放电的反应,同样质量的电极中,钴的含量增加会降低锂的含量,最终导致电池能量密度的低下。

此外,钴资源的含量在全球分布不均,钴矿成分复杂,开采困难,采购成本居高不下,在大环境不友好的情况下,钴很可能成为扼住电池生产的命运之手,影响产能和电池发展。

也就是说,从成本和电池容量的角度考虑,电池去钴是大势所趋。

那么,无钴电池又要如何解决前文提到的寿命问题呢?

蜂巢能源官方称,无钴电池的核心技术有三项:阳离子掺杂技术、单晶技术、纳米网络化包覆。

01 阳离子掺杂技术:

电池内部传递电流,是通过锂离子在正负极之间穿梭,并进行反应来导电。而镍的作用是提高增加材料的体积能量密度,在无钴高镍正极材料中,活性元素镍的价态有+2 价、+3 价两种,锰含量过高时,镍的二价离子也会越多,二价镍离子和锂离子的离子半径相似,会有部分迁移到Li层之中。

简而言之,二价镍离子很容易取代锂离子的点位,作为电池反应物的锂离子没有地方去,也就没有办法进行反应。不但会造成材料的容量降低,还会导致材料的阻抗增加。

三元材料结构示意图

图15 二元Limn05Ni05O2

蜂巢能源称使用了两种更稳定的元素替代钴对材料进行掺杂,建立更为稳定的八面体结构减少锂镍混排,大幅改善的材料的稳定性,可以在4.3——4.35V电压下稳定工作,并不会让能量密度出现明显降低。

已有研究证明,在正极材料中掺杂铌和二氧化锆(对,就是可以伪装成钻石的那个锆)能提高电池的循环性能,电压工作范围也基本稳定在4.35V左右;用Al和Mg替代Co元素同样能够获得非常低的锂镍混排率。

也就是说,蜂巢已经找到了在电极中替代钴的物质,可以在保证电池容量密度的前提下,提高无钴电池的安全性和循环寿命。

但需要注意的是,相关研究只是在实验室测试,后期蜂巢能源如果透露了更多细节,我们可以来再品一品。

02 单晶技术:

在晶体的生长过程中,往往会同时产生多个晶核,如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒,则形成单晶。如果这些晶核在生长过程中晶面取向各不相同,则会形成多晶。可以想象成,衣柜每一件衣服摆放整齐和乱七八糟堆在一起,这就是单晶和多晶的区别。

在电极制作过程中,需要通过高强度的辊压让极片上附着更多的活性物质,多晶材料在过程中会导致正极和电解液反应,同样也会导致材料结构的崩塌,电池寿命降低,安全性能下降。

尖晶石型锰酸锂的结构

单晶与多晶相比,具有更高的强度和更好的电学性能,这让电极材料有更长的工作寿命和更高的能量转换效率,所以推测蜂巢所谓的单晶技术是指正极的镍锰酸锂使用了单晶材料。

在传统NCM电池中,钴不仅能在反应中稳定结构,也能改善多晶材料的不稳定性。但在电池去钴化后,蜂巢能源选择将多晶材料更换为单晶材料来延长电池寿命。

但是,蜂巢的无钴电池里掺杂了过渡金属氧化物,这种物质在高氧化态高温下会分解生成氧,不仅会导致电池包膨胀还有助燃的作用。这种材料本身的特性暂时无法通过化学方法进行改性,这意味着只能通过电池结构进行改善,控制电池热失控蔓延。换句话来说,要在热管理系统方面跟上,为事故发生后拖延乘员逃生时间。

就目前蜂巢透露出的这些信息来看,无钴电池的安全性肯定没有镍钴锰三元电池的稳定性好。

03 纳米网络化包覆:

在电池使用过程中,高电压时正负极表面的电解液会发生氧化分解现象,导致锂离子电池阻抗增加和容量衰降。

蜂巢能源的做法是,在正极材料上包裹一层物质(纳米氧化物),减少在充放电过程中副反应的发生,提高材料的循环性能和倍率性能。

但常见的氧化物或者碳作为包覆层会让锂离子扩散受阻,反而会降低正极材料的能量。推测可能会采用三维空间构型的快离子导体进行包覆,比如二氧化硅、氧化铝这些成本较低同时也相对稳定的物质,也有利于锂离子在正极脱嵌和嵌入。

可以理解为在电池正极片外部增加一道门,锂离子刷脸进出,这道门也能“镇宅”,让电解质停止没有用处的自我消耗,也就是我们说的副反应,既能减缓电池容量下降,也保证了电池的循环稳定性。

总的来说,蜂巢能源的无钴电池从锂镍混排、钴稳定正极材料结构和电解液高电压氧化分解三个方面对现有NCM电池做了改善,对车企的影响是汽车成本有明显下降,无论是对行业还是对消费者都是利好的。

无钴电池

不过这种所谓的无钴电池真的有这么厉害吗,我看未必。

这次发布会蜂巢推出的电池并非黑科技或者新技术,本质上来说还是以镍锰锂为主体的正极材料。这类材料一直是锂离子电池正极材料研究的热点内容之一,但这些大多都限于实验室的研究,含钴电池和磷酸铁锂电池仍然占据了市场的大部分份额。

和常见的NCM电池相比,虽然说循环性能更好,但是电池能量密度会有所下降。本次蜂巢将这些技术从实验室推向了生产线,想必已经设计出一套完整且成熟的生产工艺。

动力电池主流技术路线一览

但我们还是要为蜂巢能源鼓鼓掌,如果这种无钴电池量产后真的能做到续航里程超过800km,蜂巢能源也算是全世界第一个把这种体系做到量产实验阶段的企业。电池技术领域出现新突破,无论是行业和个人都是幸事。

蜂巢能源还透露,理论上这款无钴电池的循环次数可以达到3000次,这意味着车辆全生命周期的行驶里程可以达到120万公里,这个成绩虽然不能说吊打特斯拉的百万英里电池,但让国内自主品牌的纯电动车续航再上一个台阶是绝对没问题的。

距离明年量产也只有不到一年时间了,蜂巢能源的这份礼物,你期不期待呢?

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