天下苦鈷久矣：三元動力電池成為電動汽車主流，但是三元中的“鈷”，價格變動劇烈，同時開采中面臨童工、環(huán)保問題，讓動力電池企業(yè)，乃至電動汽車企業(yè)頗為頭疼。

現(xiàn)在，中國一家動力電池新勢力，宣布打造出了無鈷電池：2020年5月18日，蜂巢能源科技公司線上發(fā)布了兩款無鈷電池，可以實現(xiàn)最高達880公里的續(xù)航里程。

這里所說的無鈷電池，即電池鎳鈷錳三元電池中，去掉了鈷元素，形成鎳錳酸鋰電池。它的價格低于高鎳電池，能量密度高于磷酸鐵鋰電池，是600-800公里級別車輛配套的新選擇。

據(jù)蜂巢能源總裁楊紅新介紹，目前他們的無鈷電池已在中試線已成功完成500千克級中試，并進入噸級小批量生產(chǎn)階段。

材料配比方面，鎳（Ni）含量70%~80%，錳（Mn）含量是20~30%。

第一款產(chǎn)品是是基于590模組的電芯設(shè)計，容量為115Ah，電芯的能量密度達到245wh/kg，能夠搭載在大部分新型純電平臺上，明年6月份推出；L6薄片無鈷長電芯，容量226Ah，配合矩陣式pack，可實現(xiàn)880公里續(xù)駛里程，2021年下半年實現(xiàn)量產(chǎn)。

這么漂亮的電池參數(shù)，這么接近的量產(chǎn)時間。蜂巢能源是怎樣搞定了無鈷電池的量產(chǎn)難題的呢？

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鈷含量：降低、降低，再降低

鎳鈷錳鋰離子電池三元體系中，三種元素各司其職，鎳可以提高材料活性，提高能量密度；鈷是活性物質(zhì)，既能穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，又能減小陽離子混排，便于材料深度放電，從而提高材料的放電容量；錳在材料中起到支撐作用，提供充放電過程中的穩(wěn)定性。

所謂陽離子混排，是指鋰離子電池正極材料中不同陽離子混合占位，陽離子混排會對材料的首次效率、可逆容量、循環(huán)性等電化學性能造成影響，因此要盡量消除。

鈷的穩(wěn)定性之所以重要，是因為鈷的增加能有效減少陽離子混排，降低阻抗值，提高電導率和改善充放電循環(huán)性能，但隨著鈷含量增加，成本也在增加。

由于鈷的儲量小，地緣政治不穩(wěn)定，價格容易被操控。2017年，倫敦金屬交易所鈷價格漲到了75000美元一噸，全年漲幅超過130%，進入2018年2月2日，鈷價突破80000美元整數(shù)關(guān)口，3月21日，創(chuàng)出95000美元一噸的10年新高。

此外，鈷的開采還涉及童工和手抓礦等問題。

鈷礦石

也因此全球電池供應(yīng)商都在致力于降低鋰電池中鈷含量，從最早鈷酸鋰中的59%，到目前普遍應(yīng)用的NCM523中的12%，再到NCM811中的7%。

鈷含量還要更低，最好沒有。

2019年，SKI總經(jīng)理金俊在媒體招待會上宣稱，年內(nèi)開發(fā)的新一代電動車電池名叫“NCM91/21/2”，即在用作正極材料的原材料中鎳的比重為90%，鈷和錳各占5%。

松下和特斯拉的“無鈷”宣言更早。2018年，松下宣布正在開發(fā)無鈷電動汽車電池。松下汽車電池部門的負責人田村堅表示：“我們已經(jīng)大大降低了鈷在電池中的含量，鈷在三元電池中的比例已經(jīng)降到3%，現(xiàn)在我們的目標是實現(xiàn)無鈷化，這項技術(shù)已經(jīng)在研發(fā)當中。”

特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示，在特斯拉Model 3的電池中，含鈷量已經(jīng)降到不到3％。他們將繼續(xù)改進技術(shù)，爭取在下一代電池中完全拋棄鈷。

寧德時代也表示，已經(jīng)儲備無鈷電池技術(shù)。

如今，蜂巢能源搶先一步發(fā)布了完全不含鈷的鎳錳酸鋰電池。

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三技術(shù)解決“無鈷”瓶頸問題

想要無鈷也沒那么簡單。

有業(yè)內(nèi)人士質(zhì)疑，認為鎳錳酸鋰電壓平臺較高，電解液會發(fā)生氧化分解情況。中國科學院物理研究所研究員黃學杰在“尖晶石鎳錳酸鋰正極材料的研究”的主題發(fā)言時曾提到，不同正極材料有不同的電壓平臺，鎳錳酸鋰的電壓平臺在4.5V左右，常規(guī)的電解液會發(fā)生氧化放電，接著一些鋰就回不去了，材料表面上這個四氧化三錳也出來了，這種困難讓很多人對鎳錳酸鋰望而卻步。

要實現(xiàn)無鈷化，就要解決三個問題，一是Li/Ni混排問題，二是循環(huán)性能差的問題；三是，高電壓平臺下電解液氧化分解的問題。

黃學杰給出的方法是，對材料表面進行包覆和熱處理，引入復雜的過渡金屬元素，例如引入含磷的化合物，室溫半電池可以做到99.8%以上的效率，全電池還可以改進接著去提高。

黃學杰提出的方法，與蜂巢能源的思路頗為相似。

蜂巢能源主要是通過三項技術(shù)來解決上述問題，陽離子摻雜技術(shù)、單晶技術(shù)和納米網(wǎng)絡(luò)化包覆技術(shù)。

所謂陽離子摻雜技術(shù)，蜂巢能源是采用與氧化學鍵鍵能高的陽離子摻雜到晶體結(jié)構(gòu)中，提高材料的上限電壓。楊紅新解釋，蜂巢能源是采用了兩種化學鍵能更強大的元素替代鈷，摻雜到材料中。通過強化學建穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu)，減少Li/Ni混排，大幅改善的材料的穩(wěn)定性，并可以在4.3——4.35V電壓下穩(wěn)定工作，能量密度比磷酸鐵鋰提高40%，而成本降低。

第二項關(guān)鍵技術(shù)是單晶技術(shù)。電池在極片制作過程中需要經(jīng)過一道關(guān)鍵的工序——高強度的輥壓，這是為了在有限的空間之內(nèi)加入更多的活性物質(zhì)，所以要追求更高的壓實密度。多晶材料在輥壓過程中顆粒破碎明顯，會直接導致正極與電解液反應(yīng)產(chǎn)生大量的氣體，造成電池壽命加速衰減和產(chǎn)生安全問題；同時材料的結(jié)構(gòu)也會崩塌，鋰離子無法移動，造成壽命會快速衰減。單晶材料具有更強的顆粒強度和更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，壓力強度比多晶可以提高10倍，能夠有效提升電池的能量密度，同時單晶材料不容易崩塌，電芯壽命可以比多晶高鎳三元電芯高出70%。

第三項黑科技技術(shù)——納米網(wǎng)絡(luò)化包覆技術(shù)。蜂巢能源在無鈷材料的合成過程中，采用了納米網(wǎng)絡(luò)包覆技術(shù)，在單晶表面包括一層納米氧化物，可以減少正極材料跟電解液的副反應(yīng)，該技術(shù)有效的改善了高電壓下的材料循環(huán)性能。

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電芯、pack設(shè)計，助力能量密度、壽命再提升

從材料層面，解決了無鈷帶來的問題，但蜂巢能源希望從電芯、pack的設(shè)計層面設(shè)計層面使電池性能再上一個臺階。

蜂巢能源在產(chǎn)品工藝上選擇疊片工藝，可以有效提高方形電芯內(nèi)部的體積空間利用率，層狀結(jié)構(gòu)可以使極片的平整度更好，應(yīng)力更均勻，膨脹變形也更小，該設(shè)計可以使無鈷電芯在能量密度方面再提升5%，循環(huán)壽命上再提升10%。

此外，長薄電芯的設(shè)計是兩側(cè)出極耳。這樣可以做到電芯底部和頂部都是平整的，沒有極耳傳統(tǒng)的電芯是在頂部有兩個極耳。楊紅新認為，這一設(shè)計為熱管理帶來了變革。傳統(tǒng)電芯只能靠單一地面冷卻的形式，那么我們這種電芯可以通過上下雙層冷卻，更精準的控制電池的溫度?！跋鄬鹘y(tǒng)pack可以提升冷卻效果40%，低溫加熱達到每小時60~70攝氏度，溫度誤差控制在20~35度之間，溫差控制在5攝氏度以內(nèi)?！?/p>

蜂巢能源電池包冷卻示意圖

pack層面，蜂巢能源采用矩陣式設(shè)計，將電池包劃分為兩個矩陣網(wǎng)格，將薄片無鈷電池規(guī)則的排列在網(wǎng)格內(nèi)，在電池包內(nèi)部組成大型矩陣模塊，矩陣跟矩陣之間相互關(guān)聯(lián)，又相互獨立，正常工況能夠保證整個矩陣模塊的剛度；非常規(guī)極端工況下，例如側(cè)碰，則能夠通過多個電芯分散撞擊力，保證電池包和整車的整體安全。

矩陣式結(jié)構(gòu)

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通過安全性測試

楊紅新表示，矩陣式結(jié)構(gòu)不僅能夠降低pack非增值部件的重量，而且在保證安全的情況下，還能夠做到80%的成組效率，要高于傳統(tǒng)模組和CTP 72%—75%的成組效率。

在制程方面，蜂巢能源建立車規(guī)級AI智能工廠，來進一步提升產(chǎn)品的質(zhì)量，例如較高的自動化水平和超高的異物檢測水平等。

安全性方面，蜂巢能源無鈷電池產(chǎn)品通過了國標和歐標的全部安全性測試，在安全性能優(yōu)于三元電池，以熱穩(wěn)定方面為例，通過150℃的熱箱實驗。

150℃熱箱測試

如果蜂巢能源的無鈷電池真能順利量產(chǎn)，且做到價格接近磷酸鐵鋰電池，能量密度接近三元高鎳電池，安全性方面也能經(jīng)得起考驗的話，其將很有可能大量侵蝕三元電池的市場份額?；蛘哒珥n國工程院院士、韓國漢陽大學教授宣良國所說，NiMn層狀材料未來很可能替代NCM、NCA也未可知。

無論如何，第一個推出無鈷電池企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)，無鈷化浪潮應(yīng)該已經(jīng)在路上。

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