首款無鈷電池正式量產(chǎn)裝車，電池性能與供應(yīng)安全求得新解法2021-09-01 07:56
全球首款搭載無鈷電池的新能源汽車
這標(biāo)志著首款無鈷電池正式量產(chǎn)裝車階段。
這款無鈷電池包的供應(yīng)商就是近期風(fēng)頭正勁的蜂巢能源。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
蜂巢能源無鈷電芯
電池的發(fā)展是個平衡藝術(shù)，在性能方面，需要平衡安全、能量密度和成本；供應(yīng)方面，需要平衡原材料供應(yīng)安全，可持續(xù)性和成本。
電池企業(yè)面臨的共同問題是，如何在成本更低的情況下，做出性能更均衡，且符合車用標(biāo)準(zhǔn)的電池。
借著蜂巢能源無鈷電池的量產(chǎn)裝車，《電動汽車觀察家》梳理下中國幾家代表性企業(yè)，現(xiàn)階段解決上述問題的方案：寧德時代采用的是CTP（cell to pack，無模組電池包）和鈉離子電池；比亞迪方面，采用刀片電池（也是CTP方案）和磷酸鐵鋰技術(shù)；而蜂巢則采用的CTP和無鈷電池技術(shù)。
對比這些技術(shù)路線，《電動汽車觀察家》發(fā)現(xiàn)，比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料，雖然解決了成本和供應(yīng)安全，但是犧牲了產(chǎn)品的性能；蜂巢選擇的方案，在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時，能夠做到能量密度犧牲最小、甚至接近無損。
1
櫻桃貓首亮相，后續(xù)車型逐步亮相發(fā)布
要了解無鈷電池到底如何，要看看櫻桃貓的各項性能。
櫻桃貓定位A＋級SUV，搭載的無鈷電池包的總電量為82．5kWh，系統(tǒng)能量密度170Wh／kg，常溫工況續(xù)駛里程600＋公里，續(xù)駛里程在中國同類產(chǎn)品中處于前列。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
長城歐拉櫻桃貓——搭載無鈷電池的首款車型
性能方面，櫻桃貓5秒內(nèi)可實現(xiàn)整車百公里加速；防水性能達(dá)到IP67；低溫情況下，能量保持率高，加熱速度快。
蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新介紹說，他們的無鈷電池包可以實現(xiàn)每小時49℃的加熱速率，也就是說從－20℃把電池加熱到常溫，只需要不到半個小時。
據(jù)蜂巢方面的介紹，無鈷電池包經(jīng)過了全面的性能和零部件安全測試。楊紅新表示，蜂巢能源的無鈷電池在國標(biāo)和特別的安全測試方面，例如底部球擊、踩踏、錘擊、側(cè)柱碰、電池包、內(nèi)部冷卻液泄漏、電化學(xué)腐蝕、碎石沖擊等方面，全部達(dá)到了最高標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
此外，無鈷電池包順利通過了150℃的熱箱、140％SOC的過充等系列安全測試，還獲得EC62660－3／GB T31486－2015／GB 38031－2020／ UL2580等多項認(rèn)證。
在低溫性能方面，無鈷電池也有明顯提升。蜂巢能源第二代無鈷電池的快充倍率提升到1．6c也就是從現(xiàn)在的45分鐘充到80％，降到30分鐘以內(nèi)沖到80％，進(jìn)一步拓寬無鈷電池的應(yīng)用場景。
基于此，蜂巢能源無鈷電池覆蓋范圍，從A00級到B＋級，續(xù)駛里程覆蓋400—800公里以上車型。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
資料來源：蜂巢能源
不過需要說明的是，蜂巢第一代無鈷電池包并未選擇CTP技術(shù)，采用的是meb標(biāo)準(zhǔn)的模組。接下來，蜂巢能源還會采用大模組和CTP技術(shù)，進(jìn)一步提高電池包的體積能量密度，并提高安全性。
明年還會看到其它無鈷電池車型消息。據(jù)楊紅新介紹，長城體系內(nèi)，目前確定了兩款搭載無鈷電池的車型，一個是歐拉品牌，一個是沙龍品牌；“長城體系外，吉利商用車將有一款皮卡；還有兩家新勢力企業(yè)在溝通，有望定點。”
除了中國自主品牌，日本和德國也有幾家車企在測評蜂巢的無鈷電池。
目前，蜂巢能源已經(jīng)規(guī)劃了10GWh無鈷電池產(chǎn)能；到2025年，無鈷電池的產(chǎn)能將超過50GWh，并實現(xiàn)與三元電池共線生產(chǎn)。
了解了蜂巢能源無鈷電池的基本情況后，來看下中國電池企業(yè)在平衡電池性能和供應(yīng)安全時，做了怎樣的選擇。
2
比亞迪的路線：CTP和磷酸鐵鋰
以比亞迪為代表的企業(yè)，開始大規(guī)?；貧w到磷酸鐵鋰路線。
作為最直接降低成本，且供應(yīng)安全的技術(shù)路線，目前中國大批車企和電池企業(yè)跟隨，搭載磷酸鐵鋰電池的車型迅速增長。
磷酸鐵鋰材料供應(yīng)安全、成本不高、循環(huán)壽命長，但是能量密度低，比亞迪為了解決這一問題，采用CTP（無模組）刀片電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，電池包空間利用率達(dá)到60％以上，但是材料本質(zhì)能量密度低的特點并未解決，這就劃定了上限。
比亞迪刀片電池的代表作就是比亞迪漢。比亞迪已經(jīng)發(fā)布了純電動全系“佩刀”的計劃，比亞迪的全部產(chǎn)品都會陸續(xù)搭載刀片電池。
根據(jù)2020年的合格證數(shù)據(jù)，比亞迪漢所用的刀片電池，單體能量密度在166Wh／kg左右，電池系統(tǒng)的能量密度能夠做到140Wh／kg。
目前看，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)量產(chǎn)的電芯能量密度最高在200Wh／kg，仍然明顯低于三元電池的能量密度。
由于電芯能量密度較低，成組后的電池包能量密度只會更低，長期發(fā)展來看優(yōu)勢并不明顯。
3
寧德時代路線：CTP和鈉離子電池
為了提升能量密度，寧德時代也采用CTP技術(shù)，來提升電池包的能量密度并降低成本。
在材料層面，寧德時代改弦更張，繞開鋰發(fā)布了鈉離子電池。
鈉的資源夠豐富，原材料供應(yīng)不存在問題；電池安全性高，能做到針刺、擠壓、過充、過放等安全項目測試中做到不起火不爆炸；但是短板在產(chǎn)業(yè)鏈不完善，并且電芯本身能量密度不高。
鋰本身并不稀缺。根據(jù)USGS數(shù)據(jù)，全球鋰資源總量為8600萬金屬噸（折LCE約4．58億噸），而未來隨著勘探的深入，鋰資源儲量有望繼續(xù)增加。但是，全球鋰資源的分布并不均勻且高度集中，南美鹽湖“鋰三角”以及澳洲鋰礦合計占全球鋰資源儲量的65％。
為了減少對鋰的需求，寧德時代發(fā)布了鈉離子電池。
根據(jù)寧德時代發(fā)布會上的數(shù)據(jù)，他們第一代鈉離子電池的單體能量密度為160Wh／kg，第二代在200Wh／kg。
就目前的數(shù)據(jù)來看，鈉離子電池單體能量密度低于磷酸鐵鋰電池。
寧德時代為了解決這個問題，采用鈉離子和鋰離子混搭的方式，來彌補電池包能量密度不足的短板。
目前推測，大概率采用的是三元鋰離子電池和鈉離子電池混搭的方式。
寧德時代采用鈉離子，可以平衡成本、安全和供應(yīng)安全等，但是鈉離子電池能量密度，現(xiàn)階段比磷酸鐵鋰還低。值得注意的是，混用時鈉離子電池采用越多，電池包能量密度就越低。
現(xiàn)階段比亞迪和寧德時代的方案，本質(zhì)上是通過犧牲電池能量密度，即電池性能，來平衡成本和供應(yīng)安全，而且短期內(nèi)兩種技術(shù)能量密度的天花板都比較低。
4
蜂巢的CTP和無鈷電池路線
蜂巢能源除了采用業(yè)內(nèi)近期比較流行的CTP電池包方案外，在材料層面，蜂巢考慮從三元電池中去除鈷元素。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
蜂巢能源的無鈷電池包
這并非新思路。早在2018年，松下宣布正在開發(fā)無鈷電動汽車電池。 特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示，在特斯拉Model 3的電池中，含鈷量已經(jīng)降到不到3％。他們將繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，爭取在下一代電池中完全拋棄鈷，但是目前仍未看到有產(chǎn)品落地。
蜂巢能源卻是全球首個落地?zé)o鈷電池的企業(yè)。
目前，蜂巢能源量產(chǎn)的無鈷電芯H能量密度在240Wh／kg，以及2023年SOP（Start Of Production，小批量生產(chǎn)階段）的無鈷H plus可以做到250Wh／kg，明顯高于磷酸鐵鋰和鈉離子電池。蜂巢能源的無鈷電池基本可以在較小、甚至接近無損能量密度情況下通過去除鈷，從而降低原材料成本。
櫻桃貓搭載的無鈷電池包能量密度，目前做到170Wh／kg，遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池140Wh／kg的水平。
根據(jù)楊紅新介紹，蜂巢能源后續(xù)無鈷電池將采用CTP或者大模組的形勢，電池包能量密度有望超過180Wh／kg。
此外，在安全性方面要高于目前的高鎳三元電池?？梢酝ㄟ^150℃的熱箱實驗、 140％SOC的過充實驗，以及2mm的淺層針刺實驗。
在原材料材料可持續(xù)性方面，鈷的供應(yīng)比鋰更為緊張。全球已探明的鈷礦儲量大約700萬噸。要知道，鎳、錳、鋁等礦產(chǎn)都是數(shù)十億乃至百億噸級別的儲量，兩相對比，可以看出鈷屬于非常稀缺的金屬。按照2019年全球14萬噸的開采量計算，鈷還可以開采約50年。
中國的鈷儲量更少。中國已探明的鈷儲量僅為8萬噸，占全球總儲量的1．14％。這就意味如果沒有無鈷方案，中國就只能依賴進(jìn)口。
鈷的另一問題，在于產(chǎn)地非常集中，主要在剛果、澳大利亞和古巴，且集中在嘉能可、洛陽鉬業(yè)、歐亞資源等幾大礦業(yè)集團(tuán)手中，導(dǎo)致下游議價能力較弱，在價格上漲期，價格很可能遠(yuǎn)超電池企業(yè)的承受能力。
當(dāng)然，蜂巢能源不是唯一一個深耕無鈷電池的企業(yè)，韓國、美國的材料科學(xué)家都在研究無鈷正極材料，許多研究人員認(rèn)為鈷的問題基本得到解決。
寧德時代對無鈷電池的規(guī)劃，則是放在2024年左右。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
總結(jié)上述路線可以發(fā)現(xiàn)，比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料，雖然解決了成本和供應(yīng)安全，但是犧牲了產(chǎn)品的性能；蜂巢選擇的方案，在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時，能夠做到能量密度犧牲較小，最大程度保留了三元電池能量密度的優(yōu)勢。
蜂巢能源邁出的這一步似乎更有優(yōu)勢。
當(dāng)然，需要明確的是，無鈷電池作為一個全新的解決方案，其可靠性還需要時間來驗證。
這標(biāo)志著首款無鈷電池正式量產(chǎn)裝車階段。
這款無鈷電池包的供應(yīng)商就是近期風(fēng)頭正勁的蜂巢能源。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
蜂巢能源無鈷電芯
電池的發(fā)展是個平衡藝術(shù)，在性能方面，需要平衡安全、能量密度和成本；供應(yīng)方面，需要平衡原材料供應(yīng)安全，可持續(xù)性和成本。
電池企業(yè)面臨的共同問題是，如何在成本更低的情況下，做出性能更均衡，且符合車用標(biāo)準(zhǔn)的電池。
借著蜂巢能源無鈷電池的量產(chǎn)裝車，《電動汽車觀察家》梳理下中國幾家代表性企業(yè)，現(xiàn)階段解決上述問題的方案：寧德時代采用的是CTP（cell to pack，無模組電池包）和鈉離子電池；比亞迪方面，采用刀片電池（也是CTP方案）和磷酸鐵鋰技術(shù)；而蜂巢則采用的CTP和無鈷電池技術(shù)。
對比這些技術(shù)路線，《電動汽車觀察家》發(fā)現(xiàn)，比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料，雖然解決了成本和供應(yīng)安全，但是犧牲了產(chǎn)品的性能；蜂巢選擇的方案，在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時，能夠做到能量密度犧牲最小、甚至接近無損。
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櫻桃貓首亮相，后續(xù)車型逐步亮相發(fā)布
要了解無鈷電池到底如何，要看看櫻桃貓的各項性能。
櫻桃貓定位A＋級SUV，搭載的無鈷電池包的總電量為82．5kWh，系統(tǒng)能量密度170Wh／kg，常溫工況續(xù)駛里程600＋公里，續(xù)駛里程在中國同類產(chǎn)品中處于前列。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
長城歐拉櫻桃貓——搭載無鈷電池的首款車型
性能方面，櫻桃貓5秒內(nèi)可實現(xiàn)整車百公里加速；防水性能達(dá)到IP67；低溫情況下，能量保持率高，加熱速度快。
蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新介紹說，他們的無鈷電池包可以實現(xiàn)每小時49℃的加熱速率，也就是說從－20℃把電池加熱到常溫，只需要不到半個小時。
據(jù)蜂巢方面的介紹，無鈷電池包經(jīng)過了全面的性能和零部件安全測試。楊紅新表示，蜂巢能源的無鈷電池在國標(biāo)和特別的安全測試方面，例如底部球擊、踩踏、錘擊、側(cè)柱碰、電池包、內(nèi)部冷卻液泄漏、電化學(xué)腐蝕、碎石沖擊等方面，全部達(dá)到了最高標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)超國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
此外，無鈷電池包順利通過了150℃的熱箱、140％SOC的過充等系列安全測試，還獲得EC62660－3／GB T31486－2015／GB 38031－2020／ UL2580等多項認(rèn)證。
在低溫性能方面，無鈷電池也有明顯提升。蜂巢能源第二代無鈷電池的快充倍率提升到1．6c也就是從現(xiàn)在的45分鐘充到80％，降到30分鐘以內(nèi)沖到80％，進(jìn)一步拓寬無鈷電池的應(yīng)用場景。
基于此，蜂巢能源無鈷電池覆蓋范圍，從A00級到B＋級，續(xù)駛里程覆蓋400—800公里以上車型。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
資料來源：蜂巢能源
不過需要說明的是，蜂巢第一代無鈷電池包并未選擇CTP技術(shù)，采用的是meb標(biāo)準(zhǔn)的模組。接下來，蜂巢能源還會采用大模組和CTP技術(shù)，進(jìn)一步提高電池包的體積能量密度，并提高安全性。
明年還會看到其它無鈷電池車型消息。據(jù)楊紅新介紹，長城體系內(nèi)，目前確定了兩款搭載無鈷電池的車型，一個是歐拉品牌，一個是沙龍品牌；“長城體系外，吉利商用車將有一款皮卡；還有兩家新勢力企業(yè)在溝通，有望定點。”
除了中國自主品牌，日本和德國也有幾家車企在測評蜂巢的無鈷電池。
目前，蜂巢能源已經(jīng)規(guī)劃了10GWh無鈷電池產(chǎn)能；到2025年，無鈷電池的產(chǎn)能將超過50GWh，并實現(xiàn)與三元電池共線生產(chǎn)。
了解了蜂巢能源無鈷電池的基本情況后，來看下中國電池企業(yè)在平衡電池性能和供應(yīng)安全時，做了怎樣的選擇。
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比亞迪的路線：CTP和磷酸鐵鋰
以比亞迪為代表的企業(yè)，開始大規(guī)?；貧w到磷酸鐵鋰路線。
作為最直接降低成本，且供應(yīng)安全的技術(shù)路線，目前中國大批車企和電池企業(yè)跟隨，搭載磷酸鐵鋰電池的車型迅速增長。
磷酸鐵鋰材料供應(yīng)安全、成本不高、循環(huán)壽命長，但是能量密度低，比亞迪為了解決這一問題，采用CTP（無模組）刀片電池進(jìn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，電池包空間利用率達(dá)到60％以上，但是材料本質(zhì)能量密度低的特點并未解決，這就劃定了上限。
比亞迪刀片電池的代表作就是比亞迪漢。比亞迪已經(jīng)發(fā)布了純電動全系“佩刀”的計劃，比亞迪的全部產(chǎn)品都會陸續(xù)搭載刀片電池。
根據(jù)2020年的合格證數(shù)據(jù)，比亞迪漢所用的刀片電池，單體能量密度在166Wh／kg左右，電池系統(tǒng)的能量密度能夠做到140Wh／kg。
目前看，磷酸鐵鋰電池已經(jīng)量產(chǎn)的電芯能量密度最高在200Wh／kg，仍然明顯低于三元電池的能量密度。
由于電芯能量密度較低，成組后的電池包能量密度只會更低，長期發(fā)展來看優(yōu)勢并不明顯。
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寧德時代路線：CTP和鈉離子電池
為了提升能量密度，寧德時代也采用CTP技術(shù)，來提升電池包的能量密度并降低成本。
在材料層面，寧德時代改弦更張，繞開鋰發(fā)布了鈉離子電池。
鈉的資源夠豐富，原材料供應(yīng)不存在問題；電池安全性高，能做到針刺、擠壓、過充、過放等安全項目測試中做到不起火不爆炸；但是短板在產(chǎn)業(yè)鏈不完善，并且電芯本身能量密度不高。
鋰本身并不稀缺。根據(jù)USGS數(shù)據(jù)，全球鋰資源總量為8600萬金屬噸（折LCE約4．58億噸），而未來隨著勘探的深入，鋰資源儲量有望繼續(xù)增加。但是，全球鋰資源的分布并不均勻且高度集中，南美鹽湖“鋰三角”以及澳洲鋰礦合計占全球鋰資源儲量的65％。
為了減少對鋰的需求，寧德時代發(fā)布了鈉離子電池。
根據(jù)寧德時代發(fā)布會上的數(shù)據(jù)，他們第一代鈉離子電池的單體能量密度為160Wh／kg，第二代在200Wh／kg。
就目前的數(shù)據(jù)來看，鈉離子電池單體能量密度低于磷酸鐵鋰電池。
寧德時代為了解決這個問題，采用鈉離子和鋰離子混搭的方式，來彌補電池包能量密度不足的短板。
目前推測，大概率采用的是三元鋰離子電池和鈉離子電池混搭的方式。
寧德時代采用鈉離子，可以平衡成本、安全和供應(yīng)安全等，但是鈉離子電池能量密度，現(xiàn)階段比磷酸鐵鋰還低。值得注意的是，混用時鈉離子電池采用越多，電池包能量密度就越低。
現(xiàn)階段比亞迪和寧德時代的方案，本質(zhì)上是通過犧牲電池能量密度，即電池性能，來平衡成本和供應(yīng)安全，而且短期內(nèi)兩種技術(shù)能量密度的天花板都比較低。
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蜂巢的CTP和無鈷電池路線
蜂巢能源除了采用業(yè)內(nèi)近期比較流行的CTP電池包方案外，在材料層面，蜂巢考慮從三元電池中去除鈷元素。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
蜂巢能源的無鈷電池包
這并非新思路。早在2018年，松下宣布正在開發(fā)無鈷電動汽車電池。 特斯拉CEO馬斯克在社交媒介上表示，在特斯拉Model 3的電池中，含鈷量已經(jīng)降到不到3％。他們將繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，爭取在下一代電池中完全拋棄鈷，但是目前仍未看到有產(chǎn)品落地。
蜂巢能源卻是全球首個落地?zé)o鈷電池的企業(yè)。
目前，蜂巢能源量產(chǎn)的無鈷電芯H能量密度在240Wh／kg，以及2023年SOP（Start Of Production，小批量生產(chǎn)階段）的無鈷H plus可以做到250Wh／kg，明顯高于磷酸鐵鋰和鈉離子電池。蜂巢能源的無鈷電池基本可以在較小、甚至接近無損能量密度情況下通過去除鈷，從而降低原材料成本。
櫻桃貓搭載的無鈷電池包能量密度，目前做到170Wh／kg，遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰電池140Wh／kg的水平。
根據(jù)楊紅新介紹，蜂巢能源后續(xù)無鈷電池將采用CTP或者大模組的形勢，電池包能量密度有望超過180Wh／kg。
此外，在安全性方面要高于目前的高鎳三元電池?？梢酝ㄟ^150℃的熱箱實驗、 140％SOC的過充實驗，以及2mm的淺層針刺實驗。
在原材料材料可持續(xù)性方面，鈷的供應(yīng)比鋰更為緊張。全球已探明的鈷礦儲量大約700萬噸。要知道，鎳、錳、鋁等礦產(chǎn)都是數(shù)十億乃至百億噸級別的儲量，兩相對比，可以看出鈷屬于非常稀缺的金屬。按照2019年全球14萬噸的開采量計算，鈷還可以開采約50年。
中國的鈷儲量更少。中國已探明的鈷儲量僅為8萬噸，占全球總儲量的1．14％。這就意味如果沒有無鈷方案，中國就只能依賴進(jìn)口。
鈷的另一問題，在于產(chǎn)地非常集中，主要在剛果、澳大利亞和古巴，且集中在嘉能可、洛陽鉬業(yè)、歐亞資源等幾大礦業(yè)集團(tuán)手中，導(dǎo)致下游議價能力較弱，在價格上漲期，價格很可能遠(yuǎn)超電池企業(yè)的承受能力。
當(dāng)然，蜂巢能源不是唯一一個深耕無鈷電池的企業(yè)，韓國、美國的材料科學(xué)家都在研究無鈷正極材料，許多研究人員認(rèn)為鈷的問題基本得到解決。
寧德時代對無鈷電池的規(guī)劃，則是放在2024年左右。
無鈷櫻桃貓車型亮相：電池性能與供應(yīng)安全求得新解法
總結(jié)上述路線可以發(fā)現(xiàn)，比亞迪和寧德時代都采用了能量密度更低的正極材料，雖然解決了成本和供應(yīng)安全，但是犧牲了產(chǎn)品的性能；蜂巢選擇的方案，在兼顧成本和供應(yīng)安全的同時，能夠做到能量密度犧牲較小，最大程度保留了三元電池能量密度的優(yōu)勢。
蜂巢能源邁出的這一步似乎更有優(yōu)勢。
當(dāng)然，需要明確的是，無鈷電池作為一個全新的解決方案，其可靠性還需要時間來驗證。
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