特斯拉和宁德时代谁会先“抛弃”了钴?
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三元电池不可或缺的稳定剂
供需趋紧决定了钴价必不便宜,而刚性供应链决定了某些时候钴价将更加高昂。出于商业考量,近年来三元电池材料“无钴”的呼声越来越高。
自商业应用以来,能量密度、安全性、成本形成了现阶段动力电池发展的“不可能三角”。
目前来看,锂离子电池主要的正极材料包括三元材料(包括镍钴锰 NCM和镍钴铝 NCA)、磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)和锰酸锂 (LMO)。其中钴酸锂体积能量密度高,在3C消费品中是当仁不让的霸主。在动力电池领域,目前主要包括两种,三元材料和磷酸铁锂。
磷酸铁锂成本低,安全性好,循环寿命好,但能量密度低,低温性能不好;而三元材料能量密度更高,高低温性能好,但成本较高。可以说,两种电池材料都不完美。
于是便出现了两条改进路线:一是提升磷酸铁锂电池的能量密度,如比亚迪刀片电池,在电芯设计、电池包结构等层面进行优化,比一般铁锂电池能量密度提升50%。另一条路线则是降低三元电池的成本,于是“无钴”就应运而生。
但实际上,在三元材料研究中,“无钴”从来不是一个新鲜的概念。在锂电池的发展过程中,一众研究人员已经对正极材料的各种组合进行过无数次的实验,三元正极中“钴”的引入和剔除以及相应变化对动力电池属性的影响,自然也是经验证的课题。
结果呢?三元成为商业化最为成熟的动力电池材料之一。钴没有被剔除,自然有其不得不保留的原因。
实际上,在镍钴锰三元材料中,钴的作用不容忽视。在三元材料动力学性能和结构上,钴的存在具有极大的增益效果。一般来说,钴的作用在于可以稳定三元材料的层状结构,提高材料的循环和倍率性能。同时钴的存在,一定程度上可以抑制高镍带来的锂镍混排问题。
但最为关键的是,钴对于三元正极材料的热稳定性起到了具有主导性的作用。
近年来,为提升动力电池能量密度,镍的占比不断提升。但与此同时,热稳定性成为了三元动力电池的最大短板。
实验数据显示,在三元电池放电中,钴由于独特的化学特性能够先于Ni元素发生还原而占据四面体位置,从而延缓了镍元素的迁移,进而推迟释氧放热反应,提高三元电池的热稳定性。
从目前公开资料来看,NCM811和NCA两种含钴较低的动力电池,能量密度提升显著,但在安全余量上略低于NCM523和NCM622。
也正因此,在NCM811电池和NCA电池使用时,整车企业往往配合其他的动力电池技术提高安全性,如广汽集团的弹匣电池,以及特斯拉的圆柱电池等等。
总而言之,动力电池是一个系统性的工程,牵一发而动全身。目前来看,在保证三元电池综合效能上,钴仍然不可或缺。
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