蜂巢能源的无钴前瞻与行动 改变电池游戏规则

前瞻性很重要，行动力更重要。

（来源：公众号“NE时代”作者：Leslie Ding）

当补贴逐渐失去效用，电动汽车进入价格战时，整车和动力电池都出现了一些新动向：

比亚迪汉EV 600km，小鹏P7 706km，威马Maven概念车800km……中高端电动汽车的长续航牌在新车上体现的淋漓尽致。

整车续航竞争的核心是动力电池。

蜂巢能源、特斯拉的无钴电池和CTP方案，比亚迪的刀片电池结构……这些近日炒得火热的动力电池新概念，成就整车的长续航、降本和安全，成为整车竞争的核心之一。

不是少钴，而是真0钴

无钴电池的概念在近几年一直是各大电池厂的口头热词。基本上，电池厂都认可，动力电池少钴化或者无钴化，是行业技术一大趋势，也是必然。

今年，出现了一些无钴电池商业上的炒作，将无钴电池与磷酸铁锂电池划等号的说法。这无疑是玩了一把文字游戏，倒回去找方法。

从正极材料源头直面无钴问题，特斯拉、蜂巢能源采取的方法是从少钴走到0钴。

少钴电池包含高镍三元NCM811，NCM90，以及四元电池NCMA。不少电池厂都为如何实现无钴电池的量产殚精竭虑。

特斯拉低钴（3%）材料已量产，用于Model 3。第二代无钴材料也在加快开发，预计未来两年内应用到电芯中。

蜂巢能源与LG化学采取的少钴电池策略是将NCM和NCA相结合，即将铝掺杂到原始NCM电池正极材料中，开发NCMA四元电池，提高结构稳定性。

接下来，蜂巢的无钴电池将于2021年SOP，将正极材料中的钴含量减到0，彻底去除钴。

从少钴到无钴的开发，电池企业和主机厂都在一点点试探钴含量的底线，确保新电池能够在拔高性能时尽可能地平衡能量密度、安全、寿命和成本。

钴元素在正极材料中主要有两大作用：1、减少锂镍混排；2、抑制充放电过程中的相变，提高材料的结构稳定性。

如果减少钴的用量，提高镍的含量，会导致锂镍混排，从而造成锂的析出，并且无法抑制镍的相变，降低循环性能。因此，钴含量少的NCM811电池有着安全性差及循环寿命衰减较快的问题。

于是，电池企业在高镍三元电池中掺入第四元素，它使得晶粒之间的边界强度增强，减少了有害相变转变的微隙，让材料结构和反应变得更加稳定。

这是否意味着，考虑到钴在减少锂镍混排上的关键作用，它仍是高镍动力电池的必须元素呢？

特斯拉Jeffery Dahn研究团队发现，高镍含钴电池中少量的钴作用很小，或几乎没有。

Dahn团队研究了掺杂Al、Co、Mn、Mg（掺杂量为0.05和0.1）对镍酸锂电化学性能、结构和热稳定性的影响。

实验数据表明：1、用Al和Mg替代Co元素同样能够获得非常低的Li/Ni混排率，这表明Co元素对于抑制Li/Ni混排并不是必须的；2、掺杂Mg和Al都能抑制高镍材料的H2-H3相变，从而改善循环寿命；3、掺杂Mg和Al、Mn的无钴高镍材料可以抑制正极和电解液的副反应，安全性也好于高镍含钴材料。

也就是说，找到改善无钴层状材料的镍锂离子混排问题以及循环寿命，实现化学键稳定的技术，可以完全无钴。

无钴电池开发到了什么程度？

现在，蜂巢能源、特斯拉正在将无钴电池从理论变为现实。两相对比之下，特斯拉多在理论阶段，且有让步的打算，蜂巢的无钴产品经过安全测试，两款产品将于明年SOP。

特斯拉CEO马斯克2018年在推特上宣示，下一代动力电池将是无钴电池。此后它在采用少钴的NCA电池时，内部展开Roadrunner项目，与学术动力电池研究团队合作探索不同高镍-掺杂体系下的正极材料。

今年2月，路透社一篇关于特斯拉采用宁德时代无钴电池的报道，立刻吸引了行业的关注。经过挖掘，它采用的是后者的磷酸铁锂电池，真正的无钴电池将在其5月份电池日上发布。

然而，近日路透社的另一篇报道似乎暗示着特斯拉电池日不会发布无钴电池，重点将为基于NCM523的长寿命电池。考虑到钴材料的回收，特斯拉延迟无钴电池的发布。

若消息属实，无钴电池的研发和量产很有可能将始于蜂巢能源。

蜂巢的无钴电池建立在探索、发展了20年的镍锰酸锂材料上。

早在2000年，T.Ohzuku等学者就发表了结构稳定的层状材料LiNi0.5Mn0.5O2的文章，从理论上证明了镍锰酸锂是一种有前景的材料。

Ohzuku教授是锂电领域的大师，在NCM111、钛酸锂、锰酸锂以及上文提到的镍锰酸锂等电池技术上都有重大贡献。

2001年首次制备出镍锰酸锂的Ohzuku发现，该电池在2.5~4.5V之间约有200mAh/g的比容量（与NCM811相当）。不足在于它存在8%~10%的锂镍混排；循环性能不够理想，需要在高电压下充放电。

因此，解决无钴层状材料的镍锂离子混排以及循环寿命问题，关系到无钴电池何时能够商业化。

蜂巢能源通过三项关键技术研发出无钴电池：1、阳离子掺杂技术；2、单晶技术；3、纳米网络化包覆。

掺杂和包裹等改性措施，对于动力电池减少锂镍混排、提升材料稳定性不可或缺。单晶材料更耐压，寿命更长久。

首先，掺杂技术，促使过往二元电池、三元电池、四元电池的诞生。钴和锰掺杂到镍酸锂电池中产生NCM和NCA三元电池，NCMA就是铝对NCM的掺杂。从材料体系上看，无钴电池使高镍三元彻底背弃传统三元的体系，回到二元电池时代。

通过阳离子掺杂技术，蜂巢可提高材料的上限电压，实现能量密度比磷酸铁锂电池提高40%。

蜂巢采用了两种化学键能更大的元素，替代钴，掺杂到材料中。通过强化学键稳定氧八面体结构，该技术减少锂镍混排，大幅改善了材料的稳定性，可以在4.3-4.35V电压下稳定工作，使能量密度提高，成本降低。

单晶技术可以改善电池的安全性和寿命。与多晶相比，单晶技术颗粒强度更高，结构更加稳定，耐压力强度可以提高10倍。

电池在极片制作过程中，为了在有限的壳体空间内加入更多的活性材料，要经过高强度辊压。在测试中可以清楚地看到，多晶材料在辊压过程中，颗粒破碎明显，会直接导致正极与电解液反应，产生大量气体，造成电池寿命加速衰减和产生安全问题；同时材料的结构崩塌，使锂离子无法移动，造成寿命快速衰减。

而单晶却非常稳定。正是这种稳定的晶体结构，为无钴材料带来超长的使用寿命，电芯寿命可以比多晶高镍三元高出70%。

纳米网络化包覆，自然界中三角网络是韧性最高的结构。蜂巢在无钴材料的合成过程中采用此包覆技术，在单晶表面包覆一层纳米氧化物，可以减少正极材料与电解液的副反应。该技术有效地改善高电压下的材料循环性能。

当前，蜂巢的无钴材料已完成百公斤级试产，采用该无钴材料的电芯产品同步开发中，能量密度达到240~245Wh/kg。

第一款无钴产品是115Ah，能量密度达到245wh/kg。它能够匹配590标准模组，能够搭载到目前大部分新的纯电平台上，这款产品的电池包在整车端，能够实现15年120万公里的质保。它将在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，能量密度达到240Wh/kg。这款电池正在与长城汽车的一款高端车型做适配开发，预计在2021年下半年推向市场。

蜂巢能源总裁杨红新表示，这款无钴电池通过了国标和欧标的全部安全性测试。结果表明，通过材料掺杂、单晶技术和纳米网络化包裹，蜂巢的无钴电池在能量密度与高镍三元相当，使用寿命和安全性高于高镍三元。

长电芯在制造中更考验制造工艺。在长电芯的制造过程中，叠片工艺比卷绕工艺更有优势。蜂巢能源已经顺利投产的车规级AI智能工厂一期项目，已经成熟掌握了高速叠片工艺技术，已经可以实现L6叠片长电芯的高效率大批量生产。

电池研发不是自嗨，而要真实可用

BEV乘用车选择何种电池，是基于定位而定。近两年OEM发布或上市的新车在推广时大多具有几个特征：平台化，长续航里程，高安全，价格竞争力。

平台化要求动力电池能够最大程度地兼容到现有电动汽车平台上，实现最大化的通用性。

杨红新表示，蜂巢分析当前市场上的主销车型宽度后发现，主流的A0级、A级以及B级以上的平台适用于长度在1150mm-1300mm的长电芯。如果按照1米或1米以上的长度做电芯，势必会顾此失彼，某款车可能匹配较好，另外一些或者装不下，或者空间不能足够得到利用，这就违背了提高空间利用率的初衷。也就是说，过长的尺寸会降低对市场主流乘用车的适配性和灵活性。

经测算，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸，似乎可以覆盖到市场上主销的80%的车型的需求。

长而薄的600mm左右的电芯可以装配在矩阵网格中，规则排列组成大型矩阵模块，矩阵之间相互关联又相互独立，正常工况时能够保证整个矩阵模块的刚度，非常规极端工况下，比如侧碰，则能够通过多个电芯分散撞击力，保证整体安全。

矩阵式PACK设计也和之前使用590模组的平台具有很好的兼容切换性，主机厂可以不做额外的修改和变更。

单晶无钴电芯与矩阵式PACK设计，可以实现整车续驶里程达880公里。以长城B级车为例，在L6无钴电池和无模组方案的作用下，它的电量可以达到135度电，续航里程880公里，是国内纯电动汽车续航最长的车型。

为了解决消费者的续航焦虑，车企自2019年下半年推出的新车增加了550公里以上续航的版本。今年尤其疯狂，600公里续航的新车变得普遍，700公里或800公里续航的新车接二连三到来。

动力电池必须撑得起主机厂的长续航需求。很明显，蜂巢的无钴电池瞄准了主机厂的此类需求。它与高镍三元CTP电池、四元电池可以成为续航在600km以上紧凑型和中大型车的主流电池选择。

长续航之外，电动汽车不仅要与其他电动汽车比拼价格，更要与燃油车拼价格。占电动汽车总成本四成的动力电池，自然也就成为降本重点对象。

电池企业主要从材料创新和结构创新两方面降成本，在正极材料去钴，无模组设计提高成组效率。

探索无钴方案，最重要的原因就是降本。电芯整体成本中，原材料成本占据很大比例，特别是正极材料占到整个材料成本的40%。大力发展和推广降低成本的正极材料，也就成为降低电池成本的重中之重。

无钴技术的实现，可使电芯成本下降10-15%，完全摆脱正极材料对钴的依赖。同时，无钴材料电池还避免了材料受战略资源影响情况的出现。

杨红新解释称，无模组矩阵式PACK设计能够降低PACK非增值件的重量，在保证安全性的前提下能够做到80%的成组效率（传统模组的PACK水平在72%，VDA电芯CTP做到75%）。

当新电池技术处处为整车开发和应用考虑，它才能让主机厂发挥出电动汽车平台的最大效益。

有业内人士曾评价当前推出的动力电池新方案，动力电池作为电动汽车的关键零部件，是否能成为主流趋势主要取决于下游整车客户是否会大规模采用。

让电池适用于车，适用于已经定型或正在定型的电动车平台，而非车适用于电池。