蜂巢能源抢先落地,无钴电池的第一次出击

汽车之心 2020/5/27 10:29:09 盖世大V说

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作者 / 姚旭阳

编辑 / 王德芙

出品 / 汽车之心(微信 ID:Auto-Bit)

无钴电池进入落地阶段。

继磷酸铁锂电池、三元电池和固态电池之后,包括宁德时代、松下、LG 化学等公司均在布局无钴电池技术,特斯拉也在今年 2 月放出了研发无钴电池的消息。

而在目前所有发声的公司里,从长城体系孵化的动力电池供应商新秀——蜂巢能源成为第一家将无钴电池产品落地的公司。

5 月 18 日,蜂巢能源总裁杨红新发布了两款无钴电芯产品:115Ah 电芯和 L6 薄片无钴长电芯。

在这两款电芯的基础上,利用蜂巢能源的单晶无钴材料技术、叠片电芯设计技术、矩阵 PACK 设计技术和车规级 AI 电池制造工艺等优势,将能够实现整车续航里程超过 800 公里,电池使用寿命达到 15 年 120 万公里。

由此,几个问题亟待厘清:动力电池供应商为何争相布局无钴电池?蜂巢能源的技术是如何实现的?未来的无钴电池市场格局又将如何?

1、无钴电池的「心」病

今天的纯电动汽车,尤其是乘用车大多配备了三元电池。

这些三元电池的正极材料有两种,一种主要由镍、钴、锰构成,电池产品有 NCM523 和 NCM811。

综合计算,它们的正极材料钴含量分别为 12%、7%,大多数车企会配备这两种电池产品。

另一种主要由镍、钴、铝构成,电池产品主要为 NCA,钴含量低于 10%,配备这一电池产品的主要为特斯拉。

以三元电池为主的车企和电池供应商,均对正极材料中的「钴」格外重视。

一方面,钴不可或缺。

它是目前使用最广泛的层状结构正极 NCM、NCA 动力电池中的必不可少的元素,因为它可以很好地形成层状结构,而且能提高正极材料的电子导电度,提高正极材料的倍率特性,对不稳定的镍形成稳定作用。

另一方面,钴成本昂贵。

在正极材料锂、镍、钴、锰中,钴的价格最高,而且已经从 2010 年的 2 万美元/吨,上升到 2018 年的 9 万美元/吨。

消费者要买一辆纯电动车,动力电池成本通常占到 30%-40%。

如果进一步拆解,电池正极材料大概占到电池成本的 40%。消费者花出去的钱,有相当一部分用于为钴买单。

价格上涨迅速背后,钴还存在储量低、分布地过于集中、开采过程中剥削儿童劳动力等诸多问题。

如果你花 20 万元买一辆纯电动车,哪怕有一丁点会带来远在万里外的一名童工受到剥削的可能性,这件事恐怕都是不可持续的。

与消费者考虑角度不同,电池供应商更关心的是供应可持续和成本问题。

目前,钴的全球存储量约为 710 万吨,主要集中在刚果(金)、澳大利亚和古巴三个国家。

因为储量过于集中,对供应商的影响已经显现。

2018 年 7 月,当时还是特斯拉独家电池供应商的松下宣布,由于担心受到美国制裁,已经暂停与一家加拿大供应商关于古巴钴的供货关系,因为古巴当时正受到美国制裁。

由此,如何降低电池中的钴含量,甚至直接将钴从正极材料中去除,是许多电池供应商常年的心病。

2、押注无钴电池

无钴电池的研发理论已经出现了约 20 年,却一直没有成熟方案落地。

这里的难点在于如何找到替代钴的金属,以及解决好制造过程中的诸多精细化工艺,比如包覆技术、掺杂技术、烧结过程的工艺控制等。

那为什么蜂巢能源这一自称「锂电池新势力」的公司率先推出无钴电池呢?

现在看来,很大一部分原因在于,这家公司在初期集中资源对无钴电池的研发进行了押注。

据杨红新透露,蜂巢能源在研发初期便对无钴电池进行了海量资源的投入,仅研发资金的投入便达到数千万元级别。

面对宁德时代、比亚迪和国轩高科等动力电池巨头,作为一家动力电池新秀,蜂巢能源也的确需要拥有具备深度创新的技术。

前有宁德时代后有比亚迪,如果从电池包封装着手,并不是一个好选择。剩下的变量便只有电芯和模组,而对电芯正极材料的创新,又是最难也影响最大的工作。

蜂巢能源的前身是长城汽车动力电池事业部。

长城自 2012 年起开展电芯的预研工作,2016 年 12 月成立电池事业部,2018 年 2 月电池事业部独立为蜂巢能源科技有限公司。

目前,蜂巢能源的第一大股东为长城汽车董事长魏建军。

据悉,蜂巢能源的无钴电芯产品于 2018 年 3 月正式立项。

到 2019 年 7 月,蜂巢能源宣布完成无钴化关键技术的研发攻关,并首次发布了全球首款基于无钴材料的电芯产品。到今天两款电池产品发布,整个过程历时两年多时间。

3、通过安全测试

来看看蜂巢能源的两款产品:

第一款产品是 115Ah 电芯。

这款电芯能够搭载到目前大部分的纯电动车平台上,电池包在整车端可以实现 15 年 120 万公里的超长使用寿命,将在 2021 年 6 月推向市场(SOP)。

第二款产品是 L6 薄片无钴长电芯,容量可以达到 226Ah。

这款电芯目前正在和长城汽车的一款高端车型做适配性开发,2021 年下半年将推向市场(SOP)。

这款电芯采用蜂巢能源的矩阵式 PACK 设计,可以实现最高 880 公里的续航,而之所以能够做到如此高的续航,在于这款电池的容量可以达到 135 度电的无模组方案。

作为一款新的电池产品,无钴电池需要通过安全性这一关。

据了解,蜂巢能源的无钴电池已经通过了国标(GB/T-31485)和欧标 (IEC62660) 的全部安全性测试。

结果表明,其电池产品的安全性能优于高镍三元电池。

需要注意的是,国标和欧标的测试规范是按照 130℃进行测试,判定标准为不起火不爆炸。

普通高镍三元 140℃的热箱测试,结果普通高镍三元电芯在 140℃高温静置结束半小时后发生起火现象。

蜂巢无钴电芯在 150℃高温静置结束半小时后未发生起火现象。

以热稳定性为例,蜂巢能源已经通过 150℃的热箱实验,明显优于高镍三元电池。

目前,蜂巢能源的无钴电池已经进入吨级小批量测试阶段。

那么,蜂巢能源是如何实现技术突破的?

4、正极材料革命

蜂巢能源的无钴电池研发,大致做法是,通过对镍锰比例进行设计,采用阳离子掺杂技术提高材料上限电压。

采用单晶技术改善电池的安全性和寿命,采用纳米网络化包覆技术,提升高电压下的循环性能,最终开发出高电压、高电池容量、无钴的镍锰酸锂单晶材料。

在整个研发过程中,几项技术至关重要,分别是:

(1)阳离子掺杂技术。

这项技术的作用是提高材料的上限电压,从而实现能量密度比磷酸铁锂电池提高 40%。蜂巢能源采用了两种化学键能更强的元素来替代钴,将两种元素掺杂到材料中,并通过强化学键稳定氧八面晶体结构。

这项技术带来的效果是大幅改善了材料稳定性,并可以在 4.3-4.35V 电压下稳定工作。

(2)单晶技术。

与现有的高镍三元电池采用多晶技术不同,蜂巢能源的无钴电池采用了单晶技术。

由于单晶比多晶具有更强的颗粒强度和更稳定的结构,所以可以改善电池的安全性和寿命。

而且,采用多晶技术的材料在电池制造的辊压工序过程中颗粒更容易破碎,会直接导致正极和电解液产生反应并产生大量气体,从而造成电池寿命加速衰减和安全问题。单晶材料的结构却非常稳定,从而可以带来更长的使用寿命。

杨红新透露,电芯寿命可以比多晶的高镍三元电池高出 70%。

(3)纳米网络化包覆技术。

有了正极材料,蜂巢能源在材料的合成中还采用了纳米网络包覆技术,在单晶表面包覆一层纳米氧化物,从而减少正极材料和电解液的反应,改善电池材料在高电压下的循环性能。

完成正极材料开发是前提,接下来还需要完成对电芯和 PACK 的设计。

蜂巢能源的电芯设计采用了叠片工艺电芯。采用叠片设计工艺的电芯,可以提升方形电芯内部的体积空间利用率,层状结构可以使极片平整度更好,应力更均匀,膨胀变形也更小。最终可以带来能量密度和循环寿命的提升。

PACK 设计方面,蜂巢能源的电池包采用了矩阵式设计,将电池包划分为两个矩阵网格,并将长的无钴电池规则排列在网格内,在电池包内部组成大型矩阵模块,矩阵和矩阵之间既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。

在非常规极端工况下,比如侧碰时,可以通过多个电芯分散撞击力,从而保证电池包和整车安全。

从现有的电芯和 PACK 的设计方式看,蜂巢能源的无钴电池仍未告别电池单体、电池模组和 PACK 等传统组成方式。

不过,通过对 PACK 采用的矩阵式结构设计,蜂巢能源的无钴电池包又实现了降低电池包重量的效果。

据杨红新介绍,蜂巢能源无钴电池可以做到 80% 的成组效率,比此前发布 CTP 和刀片电池的成组效率更高。

5、无钴电池带来的冲击

从技术路线看,市场上已有的宁德时代 CTP 技术、比亚迪刀片电池技术、特斯拉无钴(或为磷酸铁锂技术),主要改变的是电池包的封装方式。

而蜂巢能源此次推出的无钴电池技术,则是从单体电池的正极材料入手,革新更为彻底。

那么,蜂巢能源的无钴电池会冲击到谁?

现在看,那些研发三元电池的动力电池供应商和钴产品的上游供应链会受到一定影响,动力电池供应商如宁德时代、比亚迪等。

而以生产磷酸铁锂电池为主的电池供应商,一定程度上也会受到无钴电池的冲击。

韩国汉阳大学能源工程学教授宣良国认为,研发无钴电池,最直接的结果是降低电池成本,预计今后正极材料中使用最广的层状结构将是镍锰材料。

这就是说,从 NCM 电池的正极材料中去除钴,只剩镍锰(NiMn),而生产方式仍与现有的 NCM 和 NCA 生产方式相似。

在保证电池能量密度的前提下,不含高成本的钴的镍锰电池无疑将具备更大的竞争力。

在蜂巢能源发布无钴电池之前,特斯拉已于 2018 年 5 月给股东的邮件中披露过「无钴」年计划,并计划在特斯拉 2020 年电池日上进行披露。

今年 5 月,宁德时代董事长曾毓群表示,宁德时代也有自己的「无钴」电池技术储备,目前研发进展顺利,正在想办法做好供应链,「因为是一个全新的、颠覆性的产品」。

现在,蜂巢能源率先发布无钴电池技术,同一赛道的研发者应该感到了压力。

来源:盖世汽车大V说 作者:汽车之心 *本文由盖世汽车大V说专栏作者撰写发布。专栏作者为本文的真实合法性和中立性负责,观点仅代表个人,不代表盖世汽车。如需转载请联系专栏作者。

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