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锂电池无钴化 松下/SKI/蜂巢谁技高一筹?

2019-07-16 浏览次数:1,774 次 高工锂电网

动力锂离子电池去钴化已经成为一种趋势,但要完全实现无钴化还要克服更多技术难关。

2017年以来,钴材料受下游三元动力电池需求大幅增长出现供应紧缺,进而导致价格暴涨,从20万元/吨的价格暴涨至66万元/吨的历史高位,从而使三元动力电池成本大幅上升。

为了降低成本以及提升电池能量密度,提升镍的含量,降低钴的含量,通过改变材料配方的方式被业内认为是一种可行性方法。在此情况之外,近年来国内外电池企业的三元电池材料体系开始从NMC523向622升级,再向811挺进,逐步降低了锂电池的钴含量,逐步实现高镍少钴直至无钴化。

在中国,以宁德时代为代表的本土电池企业已经正式量产并向市场批量供货NMC811电池,拉开了国内高镍电池的应用序幕,其它电池企业也在积极推进高镍电池的研发与量产,将其作为公司的下一代高比能电池。

而在国内,日韩电池企业也在积极研发,而且在技术研发上走得更靠前。

2018年,松下宣布正在开发无钴电动汽车电池。松下汽车电池部门的负责人田村坚表示:“我们已经大大降低了钴在电池中的含量,钴在三元电池中的比例已经降到3%,现在我们的目标是实现无钴化,这项技术已经在研发当中。”

2018年5月初,特斯拉宣布其Model 3安装的电池已经极大地降低了钴的含量。与此同时提高了镍的含量,从而达到了有史以来最高的能量密度,并且实现了超强的耐热性。

特斯拉CEO马斯克在社交媒介上表示,在特斯拉Model 3的电池中,含钴量已经降到不到3%。他们将继续改进技术,争取在下一代电池中完全抛弃钴,改变“带血的电池”的名声。

2018年,特斯拉累计交付145846辆Model3,实现21700电池累计装机10938450kWh(10.9GWh ),搭载的就是松下为其研发的钴含量不足3%的高镍电池。这表明松下的低钴化电池已经得到了大规模量产且批量应用,证实了高镍少钴电池的可行性。

2019年,特斯拉Model3车型销量依旧火爆,预计销量将进一步增长,从而对少钴化电池产生更大的需求。而锂电池少钴化甚至无钴化也将为特斯拉降低成本起到积极作用。

值得注意的是,SKI也在研究锂电池低钴化。SKI总经理金俊宣布2019年将开发的新一代电动车电池名叫“NCM91/21/2”,即在用作正极材料的原材料中镍的比重为90%,钴和锰各占5%。

与松下相比,SKI新型电池的钴含量还高一些,但也远低于当前市场上批量应该的523体系三元电池,正在往少钴化或者无钴化方向发展。

客观来看,松下和特斯拉以及SKI等企业的最终目标都是实现锂电池无钴化,但就目前而言还没有完全实现。

不过,近日,有一家中国电池企业却实现了这个目标。

日前,蜂巢能源科技有限公司(简称蜂巢能源)在品牌战略规划及产品发布会上,对外发布针对不同应用场景的“叠时代”系列动力电池产品,同时还面向全球首发了号称无钴材料和四元材料的电芯产品。

蜂巢能源介绍,其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。

据了解,无钴化关键技术有两个,一是掺杂无未成对的电子自旋的特定元素,减弱电子超交换的现象,降低Li/Ni混排,提高电性能;二是掺杂M-O键能大的元素,减缓晶体在充放电过程的体积变化,稳定结构,提高循环寿命和安全性。

对此,业内人士认为,高镍低钴肯定是锂电池的发展方向,但短期内钴还是无法替代。一方面,配方比例改变给电池封装方式带来挑战,而目前高镍锂电池还是以圆柱封装方式为主,软包和方形技术还不成熟;另一方面,电动汽车要降低成本,还是要以保证安全和质量为前提。

下面就来看看本周锂电行业都有哪些新技术和大事件吧。

1、博世开发云系统以延长动力电池使用寿命

外媒报道称,博世正在开发新的云服务,以补充车辆的电池管理,从而使电动汽车的电池使用寿命更长。

例如,智能算法用于检测电池应力因子并因此优化充电过程。云中的智能软件功能不断分析电池的状态,并采取措施防止电池老化。

博世表示,该方法可以减少电池高达20%的损耗。“博世将电动车电池与云连接起来,大大提高了性能和使用寿命”Robert Bosch GmbH董事总经理Markus Heyn说。

云服务还使用来自车辆及其环境的实时数据来优化每个电芯的充电过程,并直接在车辆显示屏上为驾驶员提供有关节省电池的驾驶风格的定制信息。

2、半液态金属阳极提升10倍锂电池容量

据外媒报道,卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)梅隆理工学院的研究人员研发出一种半液态锂金属阳极,可为电池设计提供一种新范式。利用此种新型电极制成的锂电池将具有更高的容量,而且与采用铝箔制成阳极的传统锂金属电池相比,更加安全。

目前,电池中使用的是具挥发性的液体电解质,解决方案之一是使用固体陶瓷电解质替代,此类电解质导电性高、不可燃以及具有足够强大的抗枝晶性。但是,研究人员发现,陶瓷电解质和固体锂阳极之间的接触不足以存储和供应大多数电子产品所需的电量。

卡内基梅隆大学化学系博士生Sipei Li和卡内基梅隆大学材料科学和工程系博士生Han Wang制造出一种新型材料,半流体金属阳极,克服了该缺点。

Li和Wang与Matyjaszewski和Jay Whitacre合作,创造出一种双导电聚合物/碳基复合材料,锂微粒在其上面可均匀分布。该碳基复合材料能够在室温下保持流动,从而可与固体电解质进行足够的接触。与使用固体电解质和传统锂箔阳极制成的电池相比,通过将半液态金属阳极与石榴石固体陶瓷电解质结合,能够使此类电池的能量密度高出10倍,从而使此类电池比传统电池的生命循环周期也更长。

3、剪切增稠电解质提升锂电池抗冲击性能

美国阿克伦大学高分子科学副教授Yu Zhu博士表示:“尽管大家在电池热管理方面已经做出了很大的努力,但是最近电动汽车电池起火和爆炸的事故还是让公众很担忧。在大多数情况,电池只有受到外部冲击或撞击等不正常的情况下,才会着火。”

Zhu博士和其高分子科学和高分子工程学研究生团队合作,通过创造一个“剪切增稠”电解质(一种能够在冲击下变得更加浓稠的物质),以提升锂离子电池的安全性。该电解质放置在阳极和阴极之间,使阳极和阴极能够抗击冲击,因而在任何碰撞事故下,都不会引起电池起火或爆炸。而在正常情况下,该新型电解质会保持柔软状态。

可以将该电解质想象成水与面粉的混合物,当用手慢慢搅拌面粉和水时,会感受到一丝阻力。但是,如果加快搅拌速度,会明显感觉到很大的阻力。

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