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蜂巢能源量产装车H系列无钴电池成色几何 | 赛道Hype
时间:2021-09-10 14:52 点击:139 次

尽管已有预期,但蜂巢能源先于电池技术巨头宁德时代和特斯拉,率先量产无钴电池,还是震动了业界。

这真是无钴电池?蜂巢能源如何做到NCM(镍钴锰酸锂电池)在没有Co(钴)的情况下,继续保持原先三元锂电池性能的稳定、提升安全性及降低成本?

在未来,蜂巢能源无钴电池产能布局有何规划?

H系列:无钴115Ah量产装车

8月29日,蜂巢能源官宣由其开发的全球首款无钴电池包115Ah(H系列),正式搭载长城欧拉首款SUV车型樱桃猫,实现量产装车。

这款115Ah无钴电池包(以下若无特别说明,均指H系列115Ah无钴电池),实际路测结果怎样?

据蜂巢能源CEO杨红新称,自2020年搭载欧拉样车路测开始,蜂巢能源无钴电池包通过涉水实验、强化路试、整车充放电性能、急加速、减速电池性能、全车电池包绝缘检查等多项整车性能测试,累积测试里程80万公里,测试数据表现优异。

蜂巢能源无钴电池产品之前装车路试结果显示,产品通过150℃热箱测试和过充测试,循环与日历寿命高于目前量产811型三元锂电池水平,已具备在长里程车上替代三元高镍的性能水平以及成本竞争力。

8月31日,蜂巢能源无钴电池材料技术负责人向华尔街见闻透露,此次量产装车的115Ah无钴电池包,材料成本比811型NCM(镍钴锰酸锂)电池降低8%-10%,能量密度提升5%,电芯循环超过3000次(三元锂电池充放电循环约1500次)。

这位负责人说,“以工薪族私家车日常行驶情况看,115Ah无钴电芯使用寿命约为10年。”2020年9月28日,杨红新曾对外称115Ah无钴电芯相比同级高镍NCM电池,使用寿命延长50%。

目前,蜂巢能源无钴电池共规划四款量产产品,分别是无钴H 系列115Ah电芯、155Ah电芯,H Plus系列157Ah电芯和无钴E系列115Ah电芯,覆盖中里程至超长里程(300km-800km)、从微型车到全尺寸的全系车型。

其中,无钴H系列115Ah电芯和155Ah电芯能量密度为240Wh/kg,115Ah产品即此次实现量产装车的无钴电池包。

华尔街见闻了解到,搭载在长城紧凑级SUV车型樱桃猫上,115Ah无钴电池包常温工况下续航里程超过600公里;5秒内可实现整车百公里加速;防水性能达到IP67;低温情况下,能量保持率高,加热速度快。

H系列与E系列产品的区别在于采用的材料和技术不同,因而主打里程数也不同:H系列无钴电池主打超长里程,而E系列为中里程技术方向。值得一提的是,就性能来说,H系列无钴电芯可替换同级高镍三元锂电池,而E系列则能取代磷酸铁锂电池。

E系列电芯材料主要采用高浓度阳离子掺杂和纳米网络化包覆、微观粒径控制、嵌锂路径优化,计划在2021年将容量做到160mAh/g,2023年提升至170mAh/g。

H系列电芯材料则以纳米网络包覆技术,采用单晶化技术和阳离子掺杂的氧八面结构,2022年将电池容量从180mAh/g提升到185mAh/g。

钴不可或缺但正遭摒弃

蜂巢能源前身是长城汽车动力电池事业部,2018年从长城汽车剥离并独立为蜂巢能源科技有限公司。蜂巢能源主要从事电池材料、电芯、模组、电池系统和BMS(Battery Management System:电池管理系统)的研发与产品制造。

“无钴电池,业界有很多概念。有公司曾推出的无钴电池,后来被证明,实际上是磷酸铁锂电池,并非是采用层状结构镍锰酸锂的无Co(钴)电池。

事实上,包括宁德时代、比亚迪和特斯拉等在内的新能源电池上下游公司,均先后都提出过无钴电池的研发消息,但至今仍未有进一步进展,更没有量产消息。

Co在锂电池中的作用是什么?为何在技术上难以取得无Co突破?

要明了Co的作用,首先要知道三元锂电池的材料结构和Co元素对三元锂电池材料动力学的作用。

三元锂电池主要由正负极、隔膜和电解液构成。

其中,正极材料为锂氧化物,如NCM(镍钴锰酸锂)和NCA(镍钴铝酸锂),负极材料为石墨,正负极之间以多孔材质的隔膜做隔离。通过隔膜空隙,锂离子在正负极之间游走,进而产生电流,实现电池充放电循环。

当电池充电时,锂离子由正极通过隔膜移动到负极,但正极原先由锂离子所在的位置就会被镍离子占据。

此时,若有放电,锂离子就从负极回到正极。但因其原有位置为镍离子所占,故锂离子就会去填补镍离子所在位置,如此则形成“镍锂混排”,从而导致电池寿命缩短,电池容量下降或发生其他危险。

为防止这种情况的发生,就需要钴元素加持。钴,化学元素符号Co,行业新闻原子序数27,在化学元素周期表中位于第4周期、第Ⅷ族的金属,是电池制造中相当重要的正极原材料。

在三元锂电池的材料结构中,镍元素的作用是提升并稳定三元锂层状结构整体的能量密度,而钴元素主要功能是抑制镍离子因活性而“侵夺”锂离子在正极中的位置,防止出现“镍锂混排”,从而稳定三元锂电池的层状结构。

此外,钴元素还有提高材料电子电导率、改善倍率性能、降低材料阻抗值和降低电芯内阻等功能。

基于钴的作用如此关键,尤其是钴能减少阳离子混排,以便于材料深度放电,提高材料放电容量、循环性和倍率性能,因此三元锂电池要做到无钴,非常困难。

既然钴的作用如此明显且不可或缺,为何业界亟欲除之而后快?

因为钴不可再生,储量很少,成本很高。

多家机构统计数据表明,眼下全球钴探明的储量仅约710万吨,有超过50%的全球钴储量在刚果。但作为全球最大的新能源汽车消费市场也是最大的钴产品消费国,中国已探明的钴储量仅约8万吨,占全球总储量的1.14%。

为了在未来不因缺钴而陷入无动力电池可用的窘境,国内新能源汽车电池制造商致力于两种技术路线的研发:一种是以比亚迪为代表的刀片式磷酸铁锂技术研发方向;另一种即蜂巢能源致力的无钴电池。

真正的无钴电池如何炼成

8月29日,蜂巢能源推出H系列无钴电池包115Ah,震动业界,但业内同时仍出现质疑:主要集中在无钴电池怎么做到电池性能不变、稳定性好、寿命更长、成本还低?到底是不是真正的无钴?

据华尔街见闻从蜂巢能源无钴材料技术处了解,115Ah电芯采用无钴高镍二元材料作为正极活性物质,并在电解液中加入正极保护添加剂,以有效保证正极表面CEI膜(电解质界面)的稳定性,进而避免正极在循环过程中,容量衰减及存储过程中出现产气问题。

目前,业界使用的正极活性物质均为高镍正极,这会导致电解液在正极表面的分解加剧,因此需要正极保护添加剂来抑制电解液分解。

正极保护添加剂的作用机理大致分为两类:一是通过特殊官能团与氧化态金属离子发生络合反应,从而抑制金属和电解液的反应;另外则是添加剂自身反应,形成一层聚合物膜,覆盖在正极表面,最终抑制金属和电解液的反应。

同时,通过在正极材料中加入正极导电剂,可避免因无钴造成的材料导电性能下降及功率性能降低的问题。导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能,在极片制作时通常加入一定量的导电物质,在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用。

在115Ah电芯正极中的正极导电剂是SUPER-P(小颗粒导电炭黑)和MWCNT(导电填料多壁碳纳米管),通过两者混合搭建导电网络,实现导电剂协同效应,弥补无钴高镍正极活性物质导电性能差的缺陷,保证正极的功率性能。

SUPER-P属于亲油碳素材料,经过双氧水处理的导电炭黑能显著降低电池循环过程中内阻变化率,因此能提高电池循环次数,原因是其改善了导电剂与正极材料间的结合状态。

看上去蜂巢能源真正致力的是做锂电池正极材料的技术突破研发。

蜂巢能源开发的H系列无钴正极材料,通过“阳离子掺杂技术”、“纳米网络包覆技术”和“单晶化技术”,实现耐压更强、结构更稳定、寿命更长、成本更低的电芯使用周期。单晶无钴电池热分解温度、热失控温度和材料可耐过充量都高于NCM 811,循环寿命比NCM 811提升50%。

115Ah无钴电芯的正极材料提升了锰元素的比例,电压约提升到了3.75V,超过普通三元材料3.6V的平台电压,更多的正4价锰离子进一步提升了材料结构的稳定性。

因此,就二元层状高镍材料来说,正极材料添加了正极保护添加剂和导电剂,并通过单晶化等三项技术处理手段,蜂巢能源研发的115Ah确实称得上无钴电池。

基于无钴材料的特点,蜂巢能源做了体系优化设计,采用高速叠片制造工艺,按照车规级AI智能制造标准,研发出这款无钴电池,并通过150℃的热箱、140% SOC的过充等系列安全测试,还获得EC62660-3/GB T31486-2015/GB 38031-2020/ UL2580等多项认证。

就未来的电池产能布局看,蜂巢能源在德国斥资20亿欧元建设欧洲工厂,国内则在长三角、华南和西南三大区域快速布局,仅 2021年上半年就在四川遂宁、浙江湖州,安徽马鞍山和南京溧水等多地投资建设生产基地和智能化工厂,预计2025年全球总产能将突破200GWh。

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