您的位置: 首页  > 储能应用协会 > 国内动态  返回

炒概念还是真有料?探访蜂巢能源“无钴电池”诞生记

作者:中国储能网新闻中心 来源:电池中国网 发布时间:2020-06-16 浏览:
分享到:

2020年,不曾想“无钴电池”会作为电池技术路线创新的一支突然爆发。自今年2月电动汽车“流量之王”——特斯拉向外界透露将自主研发无钴电池后,一池春水就此被搅动。5月,宁德时代透露其公司有无钴电池相关技术储备,目前研发进展顺利,正在想办法完善供应链。就在特斯拉、宁德时代还只是释放“无钴”概念的时候,成立仅两年的电池新势力——蜂巢能源在5月18日举行无钴电池产品发布会,正式发布了两款无钴电池新品,引发国内外行业的高度关注。

发布会上,蜂巢能源总裁杨红新透露,蜂巢能源无钴电池有望在2021年6月上市装车。

直接一杆子将貌似遥远的产品上市杵到明年6月,同时蜂巢能源亮相的两款无钴电池与目前的三元NCM622、NCM811电池性能相当,难免有人议论蜂巢能源是不是在“玩概念、抢风头”?另外,自发布会以来小编还搜罗了不少业界人士对于“无钴电池”的讨论。近日,带着业界的一些疑问,电池中国网联系到蜂巢能源无钴电池的技术研发团队,对其进行了一次系统访谈,试图揭开蜂巢能源“无钴电池”的神秘面纱。

1  为什么要研发“无钴电池”?

钴是三元锂电池正极材料的重要元素之一,主要起到稳定结构、提高材料循环和导电性能的作用。值得注意的是,钴也是三元电池正极材料中最昂贵的“一元”。因其储量稀少,主产地目前政局不够稳定,价格容易被操控,且一直处于高位。因而,为降低电池成本,“低钴”甚至“去钴”一直是产业界努力的方向。

技术方向上,为破解电动汽车“续航焦虑”,提升动力电池能量密度,三元电池也一直在朝着“高镍低钴”甚至无钴的方向发展。据蜂巢能源无钴电池研发负责人介绍,“在电池正极材料中,钴含量的比例从最早的钴酸锂中的59%,已降到目前广泛应用的三元NCM523中的12%;而最新的三元正极材料NCM811,其钴含量已控制在7%以内”。特斯拉曾宣称,目前三元锂电池钴含量可降至3%。

2  蜂巢能源无钴电池技术到底是什么样的?

蜂巢能源最早曾于2019年7月对外发布了其无钴电池技术。一年后正式对外发布了“无钴电池”A样产品。据杨红新介绍,其无钴电池就是从三元NCM(镍钴锰)中真正拿掉钴的二元镍锰酸锂(NMx)电池。

镍锰酸锂(NMx)正极材料的理论提出由来已久,早在2000年,日本学者就发表了结构稳定的层状材料镍锰酸锂的文章,此后的近二十年,在“去钴”的道路上,业界无数同仁前赴后继,但一直难有突破,“业界大多是朝着‘高镍去钴’的方向去努力,”蜂巢能源无钴材料研发负责人表示,“随着镍含量的提高,材料的热稳定性下降,并导致安全风险加大。同时,高镍条件下产气释氧,与电解液反应,电池循环性能受到较大影响”。

“其实我们也在高镍方向上走了两年的弯路,实际上目前低钴的NCM811技术仍然不能说成熟,”蜂巢能源无钴材料研发负责人表示,“后来我们就转变了方向,把镍含量降低,在镍7系和8系中间做无钴材料,也就是用中高镍体系来做‘无钴材料’。”

该负责人表示,电化学体系材料配比转向是一方面,“阳离子掺杂技术、 单晶技术、纳米网络化包覆技术”这三种技术是真正推动“无钴电池”落地,并满足整车应用场景需求的关键。

在发布会上,杨红新也曾对这三种技术进行过简单介绍:阳离子掺杂技术即采用两种化学键能更大的元素掺杂到材料中替代钴,通过强化学键稳定氧八面体结构,减少锂镍混排,大幅改善材料的稳定性,可以在4.3-4.35V电压下稳定工作,实现能量密度比磷酸铁锂提高40%。

单晶技术则可以改善电池的安全性和寿命。电池在极片制作过程中,为了在有限的壳体空间内加入更多的活性材料,要经过高强度辊压。与多晶材料相比,单晶材料在辊压过程中具有更强的颗粒强度和更加稳定的结构,耐压力强度可以提高10倍。正是这种稳定的晶体结构,为无钴材料带来超长的使用寿命,电芯寿命可以比多晶高镍三元高出70%。

纳米网络包覆技术,即在单晶表面包覆一层纳米氧化物,可以减少正极材料与电解液的副反应。该技术可有效改善高电压下的材料循环性能。

电化学体系层面的思路转变,以及上述三大黑科技的加持,最终使得蜂巢能源在无钴材料的开发上率先取得突破。

3  无钴电池是三元和磷酸铁锂的折中方案吗?

发布会上,蜂巢能源拿“无钴电池”与目前主流的三元电池、磷酸铁锂电池在能量密度、循环寿命、安全、成本等维度进行了对比,以展示“无钴电池”商业化的可行性及前景。看完发布会后,有人认为,“无钴电池”是三元电池和磷酸铁锂的折中方案。事实果真如此吗?

“目前磷酸铁锂的单体能量密度在190Wh/kg基本已经接近天花板了,我们开发的‘无钴电池’能量密度要比磷酸铁锂能量密度高出40%左右,”据蜂巢能源无钴电池研发负责人介绍,“公司推出的首款‘无钴电池’能量密度达到245Wh/kg,尽管镍含量没有NCM811高,但能量密度与现阶段的NCM811已经非常接近了;在不同电压体系下,其能量密度表现要好于NCM523、NCM613”。

安全性方面,目前蜂巢能源NMx“无钴电池”A样产品已做过热箱过冲、短路、热失控、热蔓延、挤压、撞击,包括喷射实验测试,测试结果显示安全容忍度都要高于三元电池。

如电芯热箱安全测试(见下图),可以通过150℃,0.5h的严苛测试条件,而目前国标(GB/T 31485-2015)的要求仅为130℃,0.5h。

当然,与磷酸铁锂相比,由于磷酸铁锂热稳定性的天然优势,磷酸铁锂在安全性上还是要更胜一筹。

电芯循环寿命方面,在25℃,1C充放电500次循环,都没有明显的容量损失。

据了解,目前无钴电池的产品为B样状态,今年的8月份就可对外进行样品送样测试。

成本方面,“因为实现了无钴,无钴正极材料成本要比当前主流的NCM材料低15%左右。”蜂巢能源无钴材料负责人还表示,“因为无钴,材料本身价格将不会再随钴价波动而变化,价格也将更稳定,不用担心钴价波动带来的影响”。他还认为,未来随着无钴材料产能规模的不断扩大,价格还有望继续下探。

“能量密度上已经比肩高镍三元电池材料,并远高于磷酸铁锂,同时成本要比三元材料低15%左右,”蜂巢能源无钴电池研发负责人表示,各项性能上的差距并非折中产品所能做到的。

4  为何2021年下半年才上市?

发布会上,蜂巢能源发布的两款无钴电池都将于2021年下半年开始上市。由于上市时间仍然有一年之久,很多人认为蜂巢能源是不是在抢无钴电池的风头?

“一种新技术的诞生和新产品的最终落地应用都有一定的周期,”蜂巢能源无钴电池研发负责人告诉电池中国网,“从技术开发、调试、优化,再从产品从A样、B样,以及搭载到整车上的验证,夏季、冬季标定都需要一定的周期,无钴电池的开发也同样如此”。

蜂巢能源2019年7月向外界发布了无钴电池技术,其后就一直进行无钴正极材料体系的相关测试、优化和验证,今年5月正式发布了两款A样“无钴电芯”。据悉,目前蜂巢能源正在进行B样产品的生产测试、调试、优化,同时基于B样产品进行电池包结构设计相关工作。“B样之后,我们还要做C样以及配套整车的开发和验证流程,时间线上计划明年6月将产品推向市场。”

目前,特斯拉计划在其“电池日”活动中宣布其自主研发的无钴电池技术,也有一些电池企业透露有无钴电池相关技术的储备。同样,从技术公布到产品经历A样、B样再到装车应用,都需要较长的测试、优化和验证周期。

5  无钴电池未来会成为主流技术路线吗?

磷酸铁锂的低成本、高安全、长寿命,三元电池的高能量密度、优异的循环性能,使得这两种电池技术路线成为目前乃至未来较长一段时间的主流电池技术路线。近两年业界呼声较高的“无钴电池”未来也会成为主流电池技术路线之一吗?

“从技术发展的趋势我们可以看到,钴含量在逐渐降低,从最开始的59%降到30%,再降到12%、7%甚至3%,材料开发的方向一直是奔着钴含量越来越低的趋势,”蜂巢能源无钴电池研发负责人表示,低钴、甚至无钴一直是电池技术发展的趋势,“现在我们把无钴的时间轴提前了,相信其他公司也会加快这一技术的研发步伐,而随着越来越多电池、整车企业参与进来,未来无钴将成为主流电池路线之一。”

从供给端来看,全球钴资源储量稀缺,目前每年钴产量约为20万吨,其中约49%用于消费类电池产品,有14%用于新能源汽车动力电池,剩余的主要用于合金领域。根据我国新能源汽车产业发展规划,到2025年我国新能源汽车产销占比要达到新车产销的25%,较目前增长约5倍(约700万辆);国外方面,大众、宝马、戴姆勒等国际主流车企也纷纷制定了汽车电动化战略,2025年全球新能源汽车产销有望超过1000万辆。粗略测算,对钴的需求也将是现在的5倍。“随着全球大力发展电动汽车,现有钴资源是无法支撑全球电动汽车产业发展的,低钴和去钴将是大势所趋,”蜂巢能源无钴电池正极材料研发负责人认为,随着无钴电池技术的成熟,且成本更低,同时也摆脱了对钴的依赖,无钴电池未来必将成为主流电池技术路线之一。

6  无钴电池技术也需要迭代  

发布会上,蜂巢能源亮相的两款无钴电池,分别具有长续航(可实现880km续航)和长寿命特点,这两款产品是基于同一材料体系根据不同应用场景打造。“如同三元材料经历了5系到8系,甚至还会出现9系一样,未来无钴电池也可以根据镍含量的不同衍生出多种无钴体系电池。”蜂巢能源无钴电池研发负责人表示,公司现阶段通过降低镍含量,实现无钴材料技术的突破,并研发出无钴电池,“有了第一款无钴材料的技术积累,我们将继续从材料端迭代开发无钴材料体系,且基于每一种材料体系去开发不同应用场景需求的无钴产品。”

蜂巢能源无钴材料研发负责人认为,“未来镍锰酸锂无钴材料会继续按照两个方向发展:一个是低成本的无钴电池;另一个是往高镍(如Ni9系)方向发展。除此之外,无钴富锂锰也是一个方向,但这种技术路线面临的挑战比较多,如电压、倍率都是问题,这种路线落地预计要在五六年后了”。

访谈中,小编还就无钴电池材料供应链、无钴电池生产制造及产线要求等,与蜂巢能源相关技术人员进行了广泛交流,限于篇幅原因,就不再赘述,感兴趣的朋友可以留言交流。

关键字:蜂巢能源

中国储能网版权声明:凡注明来源为“中国储能网:xxx(署名)”,除与中国储能网签署内容授权协议的网站外,其他任何网站或者单位如需转载需注明来源(中国储能网)。凡本网注明“来源:xxx(非中国储能网)”的作品,均转载与其他媒体,目的在于传播更多信息,但并不意味着中国储能网赞同其观点或证实其描述,文章以及引用的图片(或配图)内容仅供参考,如有涉及版权问题,可联系我们直接删除处理。其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何版权问题与本网无关,想了解更多内容,请登录网站:http://www.escn.com.cn

相关报道