三元锂电池材料配方迎革命 少钴成大势 无钴很遥远

近日,日本电池供应商松下宣布,将研发无钴车用级电池。随着电动汽车市场持续火爆,其核心部件动力电池也是“水涨船高”,目前的主流电池——三元锂电池需求量持续增长。作为三元锂电池的正极材料之一,钴由于其稀缺性成为战略性的稀有金属资源,全球66%的钴产量都出自政局不稳定的刚果(金),导致其储量有限、价格攀升,成为新能源汽车发展的掣肘。因此,汽车厂商以及电池企业都在研发降低钴在三元锂电池材料配方中的比例,一些企业甚至已经开始研发无钴电池,只是目前看来,无钴化解决方案尚难以实现。

供不应求钴价上涨

近日,彭博新能源财经(BNEF)发布报告预测,钴的短缺潮可能会提前到来,这一动力电池最昂贵材料的紧缺将在未来5～10年对电动汽车产业产生较大的影响。数据显示,刚果(金)的钴产出占全球钴矿的2/3,亟待发现新的资源产地。另外,不少寡头矿产公司正在大量囤积钴,导致钴更加难以获得。

BNEF一位分析师称:“从目前的情况看,找到新的矿产资源还需要很长时间,如果仅依靠刚果(金)的钴资源,那么到2020年时很有可能出现钴供给危机。”宝马集团表示,正在大力布局电动汽车的汽车制造商都已经意识到供应危机。

值得一提的是,全球最大的新能源汽车市场——中国,市场增速比预期还要快,短时间内将出现一钴难求的局面。分析师指出,如果钴的供应量无法稳步提升,钴价还将急剧上涨,这将对电动汽车市场的发展造成严重的影响。数据显示,自2016年初开始,钴在英国伦敦交易所的价格增长了270%,今年3月再创历史新高。电动汽车金属资源集团主管皮特·迪宁在一封邮件中表示,不管刚果(金)的政局是否会影响钴的出口,现在的高价已经充分体现出钴的紧缺性。

当前,松下一直在设法确保其在钴市场中的稳定供货,业内人士预测,到2018年松下的钴用量将达到近8000吨。此外,宝马、大众、三星SDI、LG化学等企业也都在寻求稳定的供货源,此前大众和宝马希望与钴供应商签订长期合同,但进展并不顺利。中国有色金属工业协会钴业分会秘书长徐爱东在日前举行的中国(青海)锂产业与动力电池国际高峰论坛上特地谈到了终端用户向上游供应商锁资源这一话题。她说:“为了锁住价格,很多企业要同上游供货商签订长达10年的合同,这一行为不太理智,虽然钴市现在很热,但是谁都不能保证现在就是低价。一方面价格锁不住;另一方面,很多钴矿业加入了‘负责任供应链’体系,希望能够实现钴行业可持续的矿产采购。”

高镍低钴大势所趋

面对日益增加的成本,全球电池供应商都在想方设法减少钴在三元电池中的含量,他们更改了电池正极材料的配方比例,将三元电池中镍钴锰或者镍钴铝的配比从6:2:2改为8:1:1。中国很多动力电池企业也都在布局高镍三元电池。高镍低钴,一方面是为了提高能量密度,另一方面是为了降低成本。

车企也在抓紧研发先进的技术,使钴在电池中的含量进一步减少。目前,比亚迪计划在今年年底前将镍钴锰的比例调整至8:1:1,宝马有望在2021年也采用该配方比例。预计到2020年,该类低钴电池将占到电动汽车电池总量的7%,到2030年这一比例将增长至57%,从而减少电池原材料对电池总价的影响。

显然,松下显得更为激进,希望将钴在三元电池中的含量降至零。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。”作为特斯拉Model 3独家电池供应商,目前松下在美国内华达州的超级工厂中生产电池。松下汽车业务负责人伊藤吉郎谈到,除了在电池技术上尽量减少钴的用量以外,松下还积极同钴的供应商进行协商,希望可以签订长期稳定的供应合同,“从而使公司避免因原材料价格的飙升而遭遇风险。”

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。日前,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。

无钴短期内不太可能

除了降低钴在电池中的比例,对钴进行回收也是一个解决方案。根据BNEF的报告,目前对钴的回收率仅为25%～50%,如果可以将所有乘用车电池中的钴进行回收,那么到2030年,预计每年通过回收钴的总量将达到10万公吨。目前,包括三星SDI和宝马等在内的企业都在积极探索从手机和汽车电池中对钴进行回收。但无论是降低电池中钴的含量还是对钴进行回收,都只能缓解一时的困境,并无法真正解决供应难题。

那么无钴电池真的可行吗?作为锂电池的重要原料之一,钴能够明显提升锂电池的能量密集度。为了替代钴,电池厂商往往会增加镍的使用量,以提升电池的能量密度。但镍的使用量增加之后,会导致相应的电极材料的结构稳定性降低,进而影响到电池循环寿命和安全性。一些行业人士认为,目前车企和电池供应商只是降低了钴在三元电池材料中的配比,但目前钴尚无法替代。

“从锂电池的技术来讲,在镍钴锰的比例为8:1:1时,电池能量密度达到300瓦时/公斤已经可以清晰地看到‘天花板’,可能未来10年都无法突破。”宁波杉杉股份有限公司副总裁孙晓东在锂产业与动力电池国际高峰论坛上如是说。不少业内人士也表示,尽管很多电池供应商都在降低钴的使用量,但大部分厂商并未实现8:1:1技术路线在量产中的应用,至于无钴电池的上市时间,恐怕就更为久远了。

徐爱东对此也表示:“事实上,目前8:1:1三元电池产量不到总体的10%,因为在降成本的同时电池企业也要考虑安全问题。”她认为,从战略角度来看,高镍低钴肯定是发展方向,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,实现发展,还是要以保证安全和质量为前提。“不能一味追求降成本而仓促上马。”她说。

中长期钴价有望趋稳

好消息是,钴价不会一路高涨。最新数据显示,从6月1日开始,国内钴价持续下跌,6月26日钴的报价为54.26万元/吨。疯狂增长了一年多的钴价,终于迎来了“急刹车”。徐爱东表示,新能源汽车以及动力电池产业的发展对上游材料的拉动很明显,从去年开始钴的涨价幅度非常高,已经引起市场极大的关注。但当价格上涨到一定程度以后,供应链的调整将会使之趋于稳定。

中国北方车辆研究所动力电池实验室主任王子冬此前在接受《中国汽车报》记者采访时表示,钴价已经开始下跌,表明钴对汽车电池的影响并没有那么大,而且三元电池并非“万金油”,他认为磷酸铁锂电池同样具有良好的发展前景。对此,高工产业研究院院长罗焕塔持相同观点,他认为:“从第一季度的产量来看,国内三元电池的增长速度达到了63%。但是,正极材料尤其是钴的价格上涨之后,现在也有很多企业在思考或者尝试放缓三元材料比例的变动,或者走磷酸铁锂路线,现在部分企业已经开始进行这方面的尝试。”

徐爱东最后指出,随着三元锂电池材料的发展,钴将会迎来消费强度的下降,但总消耗量还是增加的。与锂、镍相比,钴的消费增速会放缓。与此同时,钴价上涨、供应链趋紧导致的高镍化趋势,也会对钴的消费前景和投资产生影响。只要钴价回到比较适中的价位,还是会刺激其消费增长。总的来说,她认为,随着电动汽车的普及,电池技术也会出现较大的变化,各方面综合发挥作用,能够保持电池产业平稳地发展。

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