电动车行业要想实现真正的市场化和可持续发展,去“钴”势在必行。

2020年,国家延长了本将停止的新能源补贴政策,但补贴的门槛变的更高了。第一、增加30万元补贴上限;第二、清算车辆必须达到10000辆以上;第三、鼓励换电模式发展。

从补贴调整来看,国家很明显是希望尽快推动新能源车与传统燃油车价格体系并轨,让电动车早日实现市场化。事实上,阻碍电动车市场化的因素有很多,其中续航焦虑是重中之重。从燃油车角度来看,不管什么价位的车型都不存在续航焦虑,都可以满足基本的交通属性。但电动车有所不同,因为电池成本太高,目前市面上的电动车续航与价格成正比,消费者要想买到长续航没焦虑的电动车必须拿出更多的预算,这也导致了很多消费者不得不转向购买燃油车。

因此,电动车要想实现真正与燃油车正面PK,首先要降低电池的成本,提升安全,解决各个价位车型的续航问题和安全问题。而对于电池降本和安全方面的突破,蜂巢能源给出了最新答卷。

无“钴”落地,续航超800km

5月18日晚,从长城汽车独立而来的蜂巢能源发布了两款基于无钴材料的薄片式电芯产品——NMX无钴电池,预计2021年6月推向市场。

线上发布会,蜂巢能源董事长杨红新表示,蜂巢此次发布的两款电芯产品基于无钴的NMX材料制造的,具有高循环寿命、高安全性和高能量密度的优势。

其中第一款产品是基于590模组的电芯设计,容量为115Ah,电芯的能量密度达到245wh/kg。该款产品的特点是在通用化电芯尺寸设计基础上完成的,能够搭载到目前大部分新的纯电平台上,拥有出色的循环寿命和日历寿命特性,使得这款电芯在整车端能够实现15年120万公里的质保,预计在2021年6月份推向市场。

第二款是L6薄片无钴长电芯,容量226Ah,这款产品正在与汽车企业合作开发,在先进的矩阵式PACK设计支持下,是全球第一款可以实现880公里的续航里程的车型,预计可以在2021年下半年实现量产。

去“钴”降本,防止被卡脖子

如文章开头所言,降本是实现电动车市场化的重要步骤,而电动车三分之一左右的成本都在动力电池上,其中钴的成本一直在涨,而且供应链存在很多不确定性,是电动车行业的一大风险。

拿市场上主流的三元锂电池举例子,其中最重要成分之一就是钴,如果你的车是NCM811电池,那么镍钴锰的比例就是8:1:1,其中钴材料占据了整个电池阳极材料的10%。

占比高还不算,随着电动车发展,钴的价格一路飙升,从刚开始的8万/吨涨到了最高60万/吨,这与电动车降本的政策相违背。而无钴电池的发展可以显著降低电池成本,与NCM811相比,蜂巢能源的无钴电池正极材料每吨只需要4.5万元左右,其成本只有NCM811的25%左右,降本效果显著。

除了价格一路飙升之外,钴的存量非常稀少,2018年探明的全球钴金属的总储量仅有710万吨,其中刚果(金)境内的储量约为360万吨,约占52%。按照目前的电动汽车发展速度,倘若不考虑回收,钴元素将在2026年被消耗殆尽。

最后是政策影响带来的不确定性,近年来其他国家如澳大利亚、俄罗斯和加拿大等国家逐渐制定政策,限制国内钴矿石出口,以及刚果(金)当地矿厂雇佣童工行为猖獗、政治的不稳定导致钴的供应链非常脆弱。

看到这里,“钴”的重要性已经不言而喻。所以,为了整个新能源行业的可持续性,“去钴化”已经成为中国乃至全世界主流动力电池企业的新研发目标。

有“钴”以来,为何蜂巢能源一马当先?

其实,无钴材料的开发在20年之前就有了。但钴元素在正极材料中的作用巨大。首先,钴可以减少锂镍混排;第二钴可以抑制充放电过程中的相变,提高材料的结构稳定性。如果减少钴的用量,会导致锂镍混排,从而造成锂的析出,并且无法抑制镍的相变,降低电池的循环性能。

所以要去钴,就必须解决锂镍粒子混排所导致的循环寿命问题,保证电池长期使用,容量不衰减,续航不打折。

这个难度是不小的,在之前,特斯拉CEO马斯克曾表示,将在下一代电池中完全抛弃钴,告别“带血的电池”。但哪怕到了2020年初,特斯拉仍停留在刚宣布采用宁德时代的“无钴电池”,落地仍遥遥无期。

松下负责电池业务的主管也在2018年表示,松下目前已经大幅削减了钴元素的使用量,将来的目标是实现钴元素的零使用,现在也没有动静。那么在诸多企业中为何蜂巢能源率先解决呢?他们又是如何解决的呢?

在发布会上杨红新提到有三项技术极为关键,是实现突破无钴技术瓶颈的黑科技:

其一是阳离子掺杂技术。据了解,该技术可提高材料的上限电压,实现能量密度比磷酸铁锂提高 40% 。蜂巢采用了两种化学键能更大的元素,替代钴,掺杂到材料中。该技术减少锂镍混排,大幅改善了材料的稳定性,可以在 4.3- 4.35V 电压下稳定工作,使能量密度提高成本降低。

其二是单晶技术。单晶与多晶相比,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%。

其三是纳米网络化包覆。蜂巢在无钴材料的合成过程中采用纳米网络包覆技术,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,该技术有效的改善高电压下的材料循环性能。

无“钴”电池,安全性能否经受起考验?

电动车的安全问题是消费者最关注的问题之一,在线上发布会期间,杨红新表示“蜂巢叠片无钴电池的安全性无需过分担心,我们已经通过了国标和欧标的全部安全性测试。”

同时蜂巢能源用一段视频来显示三元锂电池和蜂巢无钴电池在热稳定方面的对比,结果表明,蜂巢无钴电池轻松通过 150°C的热箱实验,热稳定方面明显优于三元。此外,蜂巢能源还经过了针刺试验、海水浸泡、挤压试验等。

无钴电池热测试

无钴电池穿刺测试

好马配好鞍,好电池也要领先的生产制造工艺

蜂巢能源一直在致力碟片电池的研发迭代,而“叠片”设计的电芯优势也非常明显,其可以有效提高方形电芯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%。

据了解,松下、三星和宁德时代也表示将在2022年采用叠片工艺,但蜂巢已经用上了。

杨红新介绍说,蜂巢能源目前已经掌握了全球最先进的高速叠片制造技术,未来可以实现每秒钟装配 8 片电极的全球最高生产效率,而且可以实现 600mm 以上长电芯的高速化生产,而且对齐度更高,更安全。

在PACK设计方面,蜂巢能源采用矩阵 PACK 设计。矩阵式结构能够更好地降低 PACK 非增值件的重量,在保证安全性的前提下 能够做到 80%的成组效率(传统模组的 PACK 水平在 72%,VDA 电芯 CTP 做到 75%)。

同时,矩阵式结构还给热管理带来变革,改变了传统电芯单一地面冷却形式,通过上下双层冷却达到更精准控制电池温度的效果,相对传统 PACK 提升冷却效果 40%,低温加热达到 60~70°C/h,温度控制在 25~35°C之间,温差控制在 5°C 以内。

写在最后

蜂巢能源科技有限公司从2012年切入电芯研究工作,2018年从长城汽车完全剥离成为一家独立的动力电池供应商。

目前蜂巢能源有2200名员工,其中研发人员达到了1100名,其中有350名外籍和外聘专家团队。从2016年独立以来,蜂巢能源累计投入研发29.3亿元。目前蜂巢能源在中国保定、韩国、上海、印度等六个国家和地区建有七座研发基地,五个制造中心。

面向未来,蜂巢能源将致力成为行业中重要的动力电池供应商而前行。