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無鈷是否可行？
隨著新能源汽車的快速發(fā)展，整個(gè)行業(yè)對(duì)鋰Li、鎳Ni、鈷Co金屬的需求會(huì)進(jìn)一步增加，但是對(duì)于金屬Co來說，全球礦藏儲(chǔ)量非常有限，且集中分布于常年局勢(shì)不穩(wěn)的非洲國(guó)家剛果，學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界一直試圖弄清楚Co在三元材料中的最低含量界限在哪里，盡量降低新能源汽車行業(yè)對(duì)金屬Co的依賴。
三元體系中，不同的元素在對(duì)材料的理化性能意義也不同。三元材料鼻祖J. R. Dahn認(rèn)為目前還沒有確鑿的證據(jù)清楚地表明鎳含量高（例如，當(dāng)1-x-y>0.9）的NCA中需要鈷。Al、Mn或Mg等元素對(duì)于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱安全性等同樣具有改善作用。但是我們認(rèn)為，鈷元素可以起穩(wěn)定材料結(jié)構(gòu)的作用，Co含量增加能有效減少陽離子混排，降低材料阻抗值，尤其對(duì)于提高材料電子電導(dǎo)率，改善倍率性能、降低電芯內(nèi)阻等有其不可替代的作用。
“無鈷化”的方案包括：用其他有類似作用的元素替代鈷；多個(gè)材料體系耦合；使用陰離子氧化還原對(duì)；精細(xì)調(diào)控高鎳材料等。
“無鈷“是一個(gè)重要的研究目標(biāo)，但也需要注意性能指標(biāo)。鈷元素在三元材料中短期內(nèi)無法完全消除替代。除此之外，新能源尤其動(dòng)力鋰離子電池行業(yè)發(fā)展過程中對(duì)其他無鈷材料也保持持續(xù)的關(guān)注和應(yīng)用。如中國(guó)科學(xué)院院士歐陽明高所說，動(dòng)力電池有三個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，第一是在材料和體系方面創(chuàng)新，從有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，到無機(jī)的固態(tài)電解質(zhì)；第二是借助智能制造、回收和人工智能，發(fā)展智慧電池；第三，是在設(shè)計(jì)和產(chǎn)品工程方面創(chuàng)新。不管是哪一趨勢(shì)最終都對(duì)無鈷材料有著深遠(yuǎn)影響：
電解液抗氧化能力的提高、或高電壓固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用，為尖晶石鎳錳高電壓二元材料的應(yīng)用提供幫助，該材料在成本、倍率性能、循環(huán)性能等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，未來隨著電解液等主材的發(fā)展，有可能會(huì)擴(kuò)大其市場(chǎng)應(yīng)用范圍；在低鈷的基礎(chǔ)上通過材料回收等手段，建立完整的生產(chǎn)-回收產(chǎn)業(yè)鏈體系，可進(jìn)一步降低鈷元素在三元正極材料中的使用成本，緩解鈷資源壓力；近期大熱的無模組電池包和刀片電池是設(shè)計(jì)創(chuàng)新的典型代表，運(yùn)用此技術(shù)預(yù)計(jì)大幅改善磷酸鐵鋰電池能量密度低、續(xù)航里程短的不足。
從上述分析可知，無論是學(xué)術(shù)研究上，還是產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)上，目前三元材料體系絕對(duì)“無鈷”方案并不成熟。綜合考慮性能和成本，通過精細(xì)調(diào)控高鎳材料組分、煅燒溫度、燒結(jié)氣氛，做到相對(duì)“無鈷”的高鎳低鈷材料才是可行的。
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高鎳低鈷趨勢(shì)顯著
低鈷高鎳正極材料（鎳含量≥90%，鈷含量≤5%），不應(yīng)該看作是目前市場(chǎng)應(yīng)用主流NCM811/NCA電池為增加能量密度而對(duì)其他性能（如循環(huán)性、安全性等）做出妥協(xié)的一種選擇。事實(shí)上，不管從開發(fā)還是市場(chǎng)應(yīng)用角度考慮，都應(yīng)該看作是在保持或改善現(xiàn)有主流NCM811/NCA高鎳材料性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，進(jìn)一步降低成本，增加能量密度，追求極致材料，推動(dòng)新能源技術(shù)的發(fā)展和普及的有力工具。
理論上來說，三元材料隨著鎳含量的提升，比容量也會(huì)隨之升高，為保證汽車長(zhǎng)續(xù)航里程能力提供基礎(chǔ)。但也會(huì)造成諸如循環(huán)性變差，熱分解溫度變低，與電解液間副反應(yīng)加劇等問題。三元材料中鈷元素的存在，有利于增強(qiáng)晶體材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善功率性能，抑制陽離子混排，提高熱安全性等性能。人類社會(huì)發(fā)展到今天的文明，任何一點(diǎn)進(jìn)步都不是一帆風(fēng)順的。近年來，不管是學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界，做了大量關(guān)于改善高鎳低鈷材料的工作，包括在體相摻雜、表面處理、制備環(huán)境管控、生產(chǎn)全流程自動(dòng)化等一系列技術(shù)上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
容百科技的研究生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2材料通過工藝的改進(jìn)，在性能上完全具有媲美甚至超過市場(chǎng)主流的LiNi0.83Co0.12Mn0.05O2材料，同時(shí)克比容量提5%以上，其帶來能量密度的升高也是顯而易見的。另外原材料成本可以降低10%左右。隨著電解液、負(fù)極等其他主材配套材料的革新發(fā)展，電芯生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，消費(fèi)者對(duì)低成本長(zhǎng)續(xù)航里程電動(dòng)汽車的訴求的不斷增強(qiáng)，高鎳低鈷材料的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)加速擴(kuò)大占據(jù)一定份額，甚至逐漸出現(xiàn)對(duì)8系NCM/NCA的替代現(xiàn)象。
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理性看待電動(dòng)汽車安全性
電動(dòng)汽車安全性一直是社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問題，也是新能源汽車發(fā)展和普及過程中不能忽視的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
從概率的觀點(diǎn)來看，鋰離子電池的自失效是存在的，但程度很低。公開報(bào)道表明，對(duì)于電動(dòng)汽車，可通過P=1-(1-P)m-n計(jì)算車輛水平的自感故障率，其中P是考慮m輛電動(dòng)汽車的故障率，每個(gè)電動(dòng)汽車的電池組中包含n個(gè)電池。以特斯拉S型為例，n=7104。假設(shè)1650個(gè)電池的自失效率p為0.1 ppm，在制造過程中不存在缺陷率，那么當(dāng)EV的數(shù)量等于m=10000時(shí)，失效率p=0.9992，表明失效率約為1/10000。與傳統(tǒng)車輛（美國(guó)每10000輛車發(fā)生7.6起火災(zāi)事故）相比，電動(dòng)汽車事故的概率似乎要低得多。
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特斯拉的低鈷路線及其邏輯
特斯拉最新一代高鎳電池鈷含量會(huì)進(jìn)一步降至3%以下，客觀上已經(jīng)相對(duì)“無鈷”。高鎳低鈷的NCA材料在特斯拉上的成功應(yīng)用以及大規(guī)模出貨已經(jīng)在一定程度上驗(yàn)證了高鎳低鈷材料巨大的市場(chǎng)潛力和前景趨勢(shì)。
