锂电池无钴化会是未来的发展趋势吗？特斯拉和宁德时代谁会先“抛弃”了钴？

2021-12-24 09:20

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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。

“无钴电池”的中场战事

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。

“无钴电池”的中场战事

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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