蜂巢的无钴电池是怎样炼成的-电动汽车观察家

蜂巢的无钴电池是怎样炼成的

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?

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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,Ni可以提高材料活性,提高能量密度;Co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;Mn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。

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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。

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三技术解决“无钴”瓶颈问题

此外有业内人士质疑,认为镍锰酸锂电压平台较高,电解液会发生氧化分解问题。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接近5V,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。

不过尖晶石你锰酸锂正极,是在锰酸锂的基础上加镍,形成的尖晶石结构,电压平台较高;而蜂巢能源则是在镍酸锂的接触上加锰,形成层状结构,电压平台相对较低。两者还是有区别的。

对于无钴电池,蜂巢能源主要是通过三项技术来解决,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。

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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信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。”

pack层面,蜂巢能源采用矩阵式设计,将电池包划分为两个矩阵网格,将薄片无钴电池规则的排列在网格内,在电池包内部组成大型矩阵模块,矩阵跟矩阵之间相互关联,又相互独立,正常工况能够保证整个矩阵模块的刚度;非常规极端工况下,例如侧碰,则能够通过多个电芯分散撞击力,保证电池包和整车的整体安全。

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矩阵式结构

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通过安全性测试

杨红新表示,矩阵式结构不仅能够降低pack非增值部件的重量,而且在保证安全的情况下,还能够做到80%的成组效率,要高于传统模组和CTP 72%—75%的成组效率。

在制程方面,蜂巢能源建立车规级AI智能工厂,来进一步提升产品的质量,例如较高的自动化水平和超高的异物检测水平等。

安全性方面,蜂巢能源无钴电池产品通过了国标和欧标的全部安全性测试,在安全性能优于三元电池,以热稳定方面为例,通过150℃的热箱实验。

 

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150℃热箱测试

如果蜂巢能源的无钴电池真能顺利量产,且做到价格接近磷酸铁锂电池,能量密度接近三元高镍电池,安全性方面也能经得起考验的话,其将很有可能大量侵蚀三元电池的市场份额。或者正如韩国工程院院士、韩国汉阳大学教授宣良国所说,NiMn层状材料未来很可能替代NCM、NCA也未可知。

无论如何,第一个推出无钴电池企业已经出现,无钴化浪潮应该已经在路上。

 

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