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撰文 | 熊宇翔  編輯 | 老司機(jī)

在經(jīng)歷了大起大落后，國內(nèi)鈷業(yè)三巨頭——寒銳鈷業(yè)、華友鈷業(yè)、洛陽鉬業(yè)的股價差不多都回到了一年前的水平。

 

一個月之前，當(dāng)寧德時代與特斯拉的合作中亮出“無鈷電池”一詞，鈷業(yè)三巨頭股價齊齊閃崩。 事后，當(dāng)更多線索指明該無鈷電池是從始至終和鈷扯不上關(guān)系的磷酸鐵鋰電池時，行業(yè)開始懷疑，這或許是一次鐵鋰電池對三元鋰電池的“輿論偷襲”，無鈷電池的概念被濫用，“被當(dāng)槍使”。

 

而后，特斯拉發(fā)出一句閱后即焚的評論：“無鈷，不一定就是磷酸鐵鋰”，又給眾人留下無限的懸念。部分媒體將此事與特斯拉收購Maxwell公司獲得的干電極生產(chǎn)技術(shù)與超級電容技術(shù)結(jié)合起來，認(rèn)為特斯拉將再一次改變動力電池行業(yè)的技術(shù)走向。據(jù)稱，今年4月特斯拉就會在其電池日上發(fā)布關(guān)于無鈷電池的技術(shù)進(jìn)展。

 

不過，考慮到特斯拉一貫的跳票傳統(tǒng)和材料領(lǐng)域的客觀規(guī)律，如果我們簡單關(guān)注一下鋰電和汽車動力電池的發(fā)展，我們就會發(fā)現(xiàn)，這或許又是電池領(lǐng)域“搞個大新聞”的傳統(tǒng)套路。人類在鋰電池不要鈷的道路上已經(jīng)奮戰(zhàn)多年，并且很可能將繼續(xù)奮戰(zhàn)多年。

 

 

何為“無鈷”

 

“無鈷”一詞，為何能夠引起行業(yè)地震？毫不夸張地講，在乘用車動力電池領(lǐng)域中，這相當(dāng)于抽掉了行業(yè)的地基。

 

眼下，電動汽車的動力電池主要使用兩種體系的正極材料——磷酸鐵鋰與三元鋰，而在乘用車市場，三元鋰又占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位。并且，以特斯拉和其他車企為代表，三元鋰體系下又分出了一對孿生兄弟：特斯拉使用NCA（鎳鈷鋁酸鋰），其他車企則基本使用NCM（鎳鈷錳酸鋰）。

 

可以看到的是，這兩個孿生兄弟可以在Mn（錳）和（Al）鋁之間切換，但Ni（鎳）和Co（鈷）的位置卻動不得。要理解鎳和鈷的重要性，需要看一下三元鋰材料發(fā)揮作用的基礎(chǔ)——層狀結(jié)構(gòu)。層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，是電池得以有序運(yùn)行的前提，也是其性能與壽命的保障。

在三元鋰材料構(gòu)成的層狀結(jié)構(gòu)中，鎳的使命是形成可以嵌入鋰離子的“骨架”，來提高電池的能量密度。而當(dāng)電池充電時，鋰離子會從正極中脫嵌，留下的空洞可能會導(dǎo)致鎳離子擅離崗位，擠占原本屬于鋰離子的空間。

當(dāng)鋰離子在電池放電過程中回到正極時，被鳩占鵲巢的它只能去到屬于鎳的那一層，由此引發(fā)“鎳鋰混排”，如進(jìn)一步引發(fā)連鎖反應(yīng)，造成的后果便是層狀結(jié)構(gòu)垮塌。當(dāng)電池材料在微觀層面陷入混亂時，宏觀的結(jié)果便是電池循環(huán)壽命縮短，電池容量下降，乃至引發(fā)安全隱患。

 

而鈷的作用，就是使得這層骨架更加穩(wěn)固，抑制鎳鋰混排，讓三元鋰正極材料的層狀結(jié)構(gòu)盡可能得以維持。

 

不幸的是，鈷又是動力電池中價格最高的材料。鋰的價格，尚且算是貴重，而鈷的價格大約是鋰的六倍。并且，由于鈷的主要產(chǎn)地在政局極不穩(wěn)定的剛果（金），存在減供、斷供的風(fēng)險。因此，無論是出于降低成本的考慮，還是從保證供應(yīng)鏈安全的角度出發(fā)，尋找少鈷乃至無鈷的電池材料方案，都有現(xiàn)實(shí)意義。

 

其實(shí)，動力電池行業(yè)一直走在“去鈷化”的道路上。特斯拉是這條道路上的先鋒。

 

早年推出首款車Roadster時，特斯拉使用的電池正極材料是鈷酸鋰。鈷酸鋰可以說是鋰電池業(yè)界的長者。上世紀(jì)80年代，當(dāng)索尼率先實(shí)現(xiàn)鋰電池商用時，選用的便是鈷酸鋰路線。鈷酸鋰循環(huán)壽命不錯，在各種材料中有最高的體積能量比，尤其適合用在消費(fèi)電子產(chǎn)品中（事實(shí)上，在今天的筆記本電腦、手機(jī)、充電寶等產(chǎn)品的電池中，鈷酸鋰仍被廣泛使用）。

但由于實(shí)際能量密度不高、安全性能不突出，以及用鈷量大，鈷酸鋰并不適合車用動力電池。

在自家的第二代動力電池中，特斯拉便將正極材料切換為NCA，在保障電池容量與安全性的前提下，降低電池成本。2018年，馬斯克在其推特上稱，當(dāng)時特斯拉動力電池中鈷的用量已經(jīng)減少到不足3%，其最終目標(biāo)是將鈷從自家電池中抹掉。

 

而在NCA的兄弟材料NCM這邊，業(yè)界也在沿著減少用鈷量的路徑前行——鎳、鈷、錳的材料配比，從1:1:1，來到5:2:3，并在這兩年開始應(yīng)用8:1:1。

 

但在特斯拉之前，無人敢喊出“無鈷”的口號。因為沒人能預(yù)料，徹底去掉鈷以后，蓬勃發(fā)展的三元鋰材料究竟會不會在性能上垮塌。而特斯拉的這一嗓子，牽出了業(yè)界在無鈷電池上的種種努力。

 

無鈷的四條路

 

雖然“無鈷”聽上去很顛覆，但從具體路徑而言，并沒有把鋰電池的技術(shù)體系進(jìn)行底朝天的更改。

 

一方面，對無鈷的追逐引發(fā)了鐵鋰電池的文藝復(fù)興。原本，鐵鋰電池由于理論能量密度上的限制，失去了在乘用車市場的競爭力。但去年以來，比亞迪與寧德時代相繼推出刀片電池與CTP（Cell To Pack）電池技術(shù)，在不對電池材料動刀的前提下，通過結(jié)構(gòu)的改變提高了電池系統(tǒng)的能量密度，基本達(dá)到三元鋰5:2:3材料的水平。

 

這一工程方法而非材料體系上的創(chuàng)新，很好地結(jié)合了磷酸鐵鋰在電池循環(huán)壽命、安全性、成本上的優(yōu)勢，讓磷酸鐵鋰煥發(fā)出了新的活力。比亞迪據(jù)此推出全新旗艦車型“漢”，而寧德時代也憑此拿到了特斯拉Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版的電池供應(yīng)訂單。

 另一方面，鐵鋰電池在刀片電池/CTP技術(shù)加持下也無法滿足的長續(xù)航市場，業(yè)界正在不要鈷的前提下，在經(jīng)過時間驗證的三元鋰材料中，做著加減法與排列組合，具體的方案大致有如下幾種：

 

1、“只要錳”的尖晶石錳酸鋰LiMn2O4、富鋰錳基Li2MnO3。

2、“只要鎳”的鎳酸鋰LiNiO2。

3、“要錳也要鎳”的尖晶石鎳錳酸鋰LiNi0.5Mn1.5O4。

4、“摻點(diǎn)別的”流派則是NiAl/NiMg等，這是特斯拉的路線。

 

這一路線的工作，主要由與特斯拉長期合作的“三元鋰之父”Jeff Dahn團(tuán)隊所做，將鎳作為主體材料的基礎(chǔ)上（占比95%），摻雜鎂、鋁或者錳元素，完全替代正極材料中的鈷。根據(jù)Dahn團(tuán)隊發(fā)表的論文，實(shí)驗結(jié)論顯示鎂與鋁有類似鈷的作用，可以穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)。

 

不同方案各有各的煩惱。比如鎳酸鋰安全性不行；富鋰錳基太短命；尖晶石錳酸鋰能量密度太低；尖晶石鎳錳酸鋰解決了這些問題，但生產(chǎn)起來又充滿了困難?？偟膩碚f，由于動力電池行業(yè)對高能量密度的追逐，高鎳體系更被業(yè)界看好，但無鈷電池把起穩(wěn)定結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)作用的鈷抹去后，電池安全性與壽命問題變得更加突出。

 

而Jeff Dahn團(tuán)隊似乎找到了解題良方，能夠在特斯拉既有的電池技術(shù)路線和解決無鈷電池種種難題中實(shí)現(xiàn)平滑過渡。

 

然而需要注意的是，磷酸鐵鋰借助刀片電池與CTP技術(shù)再度登上乘用車舞臺，并一度成為無鈷電池的代表時，三元體系衍生的無鈷電池技術(shù)，則大多停留在實(shí)驗室階段。

 

 從實(shí)驗室到商業(yè)化的鴻溝

 

正如上文所言，無鈷電池不僅僅是特斯拉努力的方向，也是全球各地的電池實(shí)驗室攻關(guān)的熱門課題。

 

但很顯然的是，一項技術(shù)要從實(shí)驗室走到商用，從來都有一條鴻溝要跨越。

 

在特斯拉的無鈷電池勾起行業(yè)關(guān)注之時，某主機(jī)廠的電化學(xué)工程專家、知乎大V“弗雷劉”就公開質(zhì)疑，特斯拉的無鈷電池技術(shù)并沒有即將投入商業(yè)化的表現(xiàn)。他認(rèn)為，Dahn團(tuán)隊的實(shí)驗結(jié)果是在小電池、少量充放電循環(huán)的條件下獲得的，與電動汽車實(shí)際使用條件完全不同，不應(yīng)將實(shí)驗結(jié)論直接套在大規(guī)模商用的技術(shù)上。

 

另一方面，他也認(rèn)為特斯拉收購的Maxwell干電極技術(shù)，并無直接證據(jù)表明能夠比傳統(tǒng)濕法電極獲得更好的性能與壽命。

 

與此同時，也有行業(yè)人士認(rèn)為，特斯拉或許會采用一種綜合優(yōu)化的方法，即在材料革新與工程方法上同時發(fā)力——具體路徑是，使用無鈷電池，但在電池材料的鎳含量環(huán)節(jié)做妥協(xié)，在犧牲一定能量密度性能的前提下，提升電池的安全性與循環(huán)壽命。而電池能量密度的短板，則可通過應(yīng)用干電極結(jié)合預(yù)鋰化技術(shù)（即在電池負(fù)極中事先充入更多的鋰，以補(bǔ)充電池后續(xù)使用可能的容量損失）予以解決。

 

事實(shí)上，這種綜合優(yōu)化的方法，的確符合馬斯克一向的風(fēng)格——即在尊重第一性原理的基礎(chǔ)上，使用工程方法上的創(chuàng)新，打造出行業(yè)中新的解決方案。無論是第一代Model S上8000多枚圓柱電池組成的電池包，還是SpaceX可以回收的一級火箭，都是以第一性原理為出發(fā)點(diǎn)，在工程方法上逆向思維取得的成就。

 

不過，這種思維過去的成功并不代表可以在“無鈷電池”上完美復(fù)制。正如行業(yè)人士所言，如果以為過去的成功代表著未來的成功，那么多年來無鈷電池走不出實(shí)驗室的現(xiàn)實(shí)，也能推導(dǎo)出無鈷電池只是空中樓閣。

 

結(jié)語：

回到文章開頭，國內(nèi)鈷業(yè)三巨頭被特斯拉“無鈷電池”緋聞?chuàng)羲楣蓛r，其實(shí)并非全然是行業(yè)慘狀。而是此前一段時間，因為資本對鈷的熱炒，鈷的地位已經(jīng)上升到一個脫離市場需求的程度。而這與整個動力行業(yè)在進(jìn)行的去鈷化工作背道而馳。

 

特斯拉“無鈷電池”的大新聞，只是市場規(guī)律發(fā)揮作用的一個突破口，促使鈷“價值回正”。

 

同樣，電池領(lǐng)域素來容易傳出“突破性發(fā)展”、“顛覆性發(fā)現(xiàn)”。但其中絕大多數(shù)突破，事后往往被證明，只是口頭突破而已。事實(shí)上，人類社會的電池技術(shù)水平，始終呈現(xiàn)的是平緩進(jìn)步的景象。

 

無鈷電池是否能夠成為現(xiàn)實(shí)，這很難確定；但可以確定的是，電池的發(fā)展不存在奇跡，只有一條路——材料的漸進(jìn)發(fā)展與工程應(yīng)用的創(chuàng)新。

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