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880公里续航超长寿命 蜂巢能源无钴电池明年落地

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网易汽车5月19日报道 

动力电池苦“钴”久已。

当前,新能源汽车动力电池面临的最大挑战是安全与成本,其中电池成本能否下降,直接影响着电动汽车与传统燃油车市场份额的竞争。


现有三元锂离子电池体系中,正极材料的成本占比达到30%以上,其中钴因为高昂的价格已经成为正极材料中最大的成本杀手。

钴是稀缺资源,其在地壳中的含量较低,全球陆地钴的储量约为710万吨,52%分布在刚果(金),其他国家和地区储量占比则较低。在全球目前的钴元素消耗中,50%左右用在锂电池上。


因此,降低电池成本需要在现有材料体系的基础上寻找新的技术突破。在以高镍体系为共识的前提下,低钴及无钴电池已经成为动力电池新的研发方向。

去年7月蜂巢能源曾发布过基于无钴材料的电芯产品,今年这个产品开始逐渐落地。

蜂巢能源前身是长城汽车动力电池事业部,自2012年起开展电芯的预研工作,2018年独立为蜂巢能源。

搭载880公里续航车型明年推向市场

5月18日,蜂巢能源对外亮相了两款无钴电芯,标志着蜂巢能源无钴电池正式进入落地阶段,搭载车辆后可以实现最高880公里的续航里程。


蜂巢能源总裁杨红新表示,蜂巢能源此次发布的无钴电芯,采用NMX的无钴材料,这种方案具有高循环寿命、高安全性和高能量密度的核心优势。

“无钴材料并非是蜂巢能源独创,在无钴材料的开发道路上,科学界已经持续走了20多年。直到今天,蜂巢能源通过努力将正极材料中的钴含量减到0,在电池正极材料中钴终于被彻底去除。”

据了解,蜂巢无钴电池第一款产品是基于590模组的电芯设计,容量为115Ah,电芯的能量密度达到245wh/kg。可以搭载到目前大部分纯电平台车型上,这款电芯在整车端能够实现15年120万公里的质保,将在2021年6月份推向市场。

第二款产品是L6薄片无钴长电芯,容量226Ah, 这款产品正在与长城高端品牌车型适配开发(推测是WEY或光束?),这款车型也是全球第一款可以实现880公里续航里程的车型,预计在2021年下半年实现量产。


880公里续航里程,将大大缓解电动汽车里程焦虑。

此前蜂巢能源曾对外称,无钴材料性能可以达到NCM811同等水平,材料成本降低5-15%,相应带来的电芯BOM成本可以降低约5%,且会让材料不受战略资源影响。

性能无明显损耗成本却下降明显,无钴材料这么好,为何之前没有应用呢?

原因是受到关键技术的制约。

在三元材料中,镍/钴/锰分工明确。镍主要用于提高增加材料的体积能量密度,但高镍也会导致锂镍混排,造成锂析出,影响电池安全性。此外高镍将导致正极释氧温度下降,导致电池热稳定性变差。

钴的作用则是稳定材料的层状结构,提高材料的循环和倍率性能。锰的作用在于降低材料成本、提高材料安全性和结构稳定性。

是不是发现了什么问题?钴和锰都有稳定结构的作用,但两者的差距在于过高的钴含量会导致实际容量降低,过高的锰含量反而会破坏材料的层状结构。

所以从成本及性能的综合考虑,动力电池正极材料最合适的占比是,保持锰不变的前提下,提高镍含量,降低钴含量,甚至是无钴。

而量产无钴电池,需要攻克锂镍混排、循环寿命等技术难题。

为了克服几个技术难题,蜂巢能源通过阳离子掺杂技术单晶技术纳米网络化包覆技术改善了无钴层状材料的镍锂离子混排问题以及循环寿命的问题。

什么是锂镍混排呢?

三元锂正极材料的基础是层状结构,其中镍的作用是形成可以嵌入锂离子的骨架,相当于大厦中各层之间的楼板。

电池充电时,锂离子会从正极中脱嵌,而二阶镍离子的半径与锂离子相近(锂离子更大一点),使得镍离子很容易趁锂离子不在家占据锂离子的位置。当锂离子在电池放电过程中回到正极时,家被人家占了,锂离子只能前往镍离子原本的位置,由此引发镍锂混排。

镍锂混排引发的危害是什么呢?简单的说,由于锂离子半径大于镍离子,镍离子擅离职守会导致各楼层高度变小,甚至造成局部空间塌陷,增加了锂离子的嵌入难度,自然影响容量。

降低锂镍混排蜂巢采用的方法是,利用两种化学键能更强大的元素代替钴掺杂到材料中,通过强化学键稳定氧八面体结构,减少锂镍混排,改善材料的稳定性。该技术还可以提高材料上限电压,从而实现能量密度比磷酸铁锂提高40%。

提高循环寿命的方法需要减缓晶体充放电体积变化。蜂巢采用单晶体技术可以改善电池的安全性和寿命,单晶与多晶相比,具有更强的颗粒强度和更加稳定的结构,耐压力强度比多晶提高10倍,采用单晶技术电芯寿命可以比多晶的高镍三元高出70%。

此外,蜂巢在无钴材料的合成过程中采用了纳米网络化包覆技术,在单晶表面包覆一层纳米氧化物,减少正极材料跟电解液的副反应,有效改善了高压下的材料循环性能。

通过150℃的热箱实验

安全方面蜂巢能源表示,无钴电池产品已经通过了国标和欧标的全部安全性测试,在安全性能优于三元电池。以热稳定方面为例,无钴电池轻松通过150℃的热箱实验未起火。而同样条件下,普通高镍三元电芯140度高温静置半小时,就会发生起火现象。

目前,两款无钴电芯已经完成500kg中试,并进入吨级小批量生产阶段。

当前动力电池正朝多技术路线发展,具备容量更高、寿命更长、安全性更好的无钴电池一旦落地,将更好的解决电动汽车续航、电池衰减和安全方面的痛点,为新能源汽车更美好的未来,起到不可估量的作用。

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