馬斯克押注“無(wú)鈷高鎳”電池， 專(zhuān)家：無(wú)鈷是發(fā)展趨勢(shì)

綜合整理報(bào)道

低鈷和無(wú)鈷是未來(lái)電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)。談及電池產(chǎn)業(yè)的未來(lái)發(fā)展，清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院助理教授、電池安全實(shí)驗(yàn)室主任馮旭寧指出。對(duì)此，中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師、天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院首席科學(xué)家吳凡也表達(dá)了相同的觀點(diǎn)：“對(duì)鋰離子電池正極材料而言，‘高鎳低鈷或‘無(wú)鈷化是大勢(shì)所趨?！?/p>

在過(guò)去 20 年里，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展一路突飛猛進(jìn)，如 CPU 工藝技術(shù)一直遵循摩爾定律，性能每隔兩年就能翻一倍。

然而，電池技術(shù)卻沒(méi)有取得太大突破，縱然每年都會(huì)有各種 “XX 新型電池”的新聞沖上熱搜，但最終還是淪為“PPT 電池 ”：或是因?yàn)榧夹g(shù)工藝，或是因?yàn)槌杀驹靸r(jià)，或是因?yàn)榘踩缘雀鞣N因素，始終走不出實(shí)驗(yàn)室，難以大規(guī)模量產(chǎn)和普及。

就現(xiàn)階段而言，不管新能源行業(yè)怎么“大放豪言”，電池一直都是擋在電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展道路上的絆腳石。

高舉“無(wú)鈷”大旗，馬斯克進(jìn)軍電池界

隨著 2020 年特斯拉“電池日”上 4680 電池的正式亮相，電池界又多了一位 “新玩家”，更確切地說(shuō)應(yīng)該是“攪局者”。按照馬斯克以往的“風(fēng)格”，他每進(jìn)入到一個(gè)行業(yè)必定會(huì)掀起一場(chǎng)腥風(fēng)血雨。

電池占據(jù)整車(chē)成本的大頭，那接下來(lái)特斯拉造電池的成本如何控制呢？這就不得不提到電池中的重要成分——鈷。這種原子序數(shù)為 27，在化學(xué)元素周期表中位于第 4 周期、第 Ⅷ 族的金屬，是電池制造中必不可少的正極原材料（至少現(xiàn)階段依然不可或缺）。

電池行業(yè)對(duì)鈷的消費(fèi)量最大，占比超 50%。鈷是活性物質(zhì)，既能穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)，又能減小陽(yáng)離子混排，便于材料深度放電，從而提高材料的放電容量、循環(huán)性和倍率性能;鎳可以提高材料活性，提高能量密度。吳凡表示。

在自然界礦石中，鈷和鎳是共生的關(guān)系，其占比為 1：10，即從礦石里面提純一份的鈷，同時(shí)能得到十份的鎳?！暗掃@種元素存在兩個(gè)缺點(diǎn)。第一，鈷具有一定的毒性;第二，鈷的提純比較困難?！瘪T旭寧說(shuō)道。

另外，鈷資源的缺乏也是不利因素。“目前全球已探明陸地鈷資源量約 2500 萬(wàn)噸，儲(chǔ)量 720 萬(wàn)噸，主要集中在剛果（金）、澳大利亞和古巴，三國(guó)儲(chǔ)量之和占全球總儲(chǔ)量的 68%。剛果（金）儲(chǔ)量居世界首位，達(dá) 340 萬(wàn)噸?！?吳凡指出，“鈷由于其稀缺性已成為戰(zhàn)略性稀有金屬資源，同時(shí)其供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)集中化、不穩(wěn)定，已成為新能源汽車(chē)發(fā)展的掣肘?！?/p>

產(chǎn)量少 + 提純難造成了鈷的價(jià)格不斷攀升，也就造成了電池的成本居高不下。那電池能不能無(wú)鈷呢？答案是可以的。

低鈷乃至無(wú)鈷既是特斯拉接下來(lái)要走的路線，也是需要克服的難題，這一點(diǎn)馬斯克在 2020 年“電池日”上也已經(jīng)明確表態(tài)。據(jù)了解，早在 2019 年 1 月，Jeff Dahn（現(xiàn)為特斯拉首席科學(xué)家）曾發(fā)表過(guò)一篇論文指出鋰電池正極材料“無(wú)鈷高鎳”的可行性，畢竟鎳在自然界比鈷多得多，提純也相對(duì)容易一些。無(wú)疑，正是 Jeff Dahn 的觀點(diǎn)極大地堅(jiān)定了馬斯克要造 “無(wú)鈷電池 ”的信心。

談及 Jeff Dahn，馮旭寧表示：“關(guān)于鋰電池材料尤其是無(wú)鈷材料，Dahn 先生課題組很早就開(kāi)展研究了。Jeff Dahn 先生是少數(shù)經(jīng)歷過(guò)鋰電技術(shù)全程研發(fā)且仍在技術(shù)一線的科學(xué)家之一。”

鈷在元素周期表中的位置

對(duì)于電池“無(wú)鈷”化，馮旭寧表示：“ ‘低鈷和‘無(wú)鈷是未來(lái)電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)。但在電池‘無(wú)鈷化的同時(shí)需要添加其他的離子來(lái)替代鈷在電池充放電過(guò)程中的作用?！?/p>

盡管特斯拉現(xiàn)階段的電池還離不開(kāi)鈷，但縱觀過(guò)往其歷代電池，其鈷含量正在不斷降低，最終實(shí)現(xiàn)電池“無(wú)鈷”化指日可待。

被逼無(wú)奈，特斯拉走向自研自產(chǎn)電池之路

作為新能源汽車(chē)領(lǐng)域的“大哥”，特斯拉知曉固態(tài)電池和石墨烯電池的優(yōu)勢(shì)，但未來(lái)幾年特斯拉之所以不打算做固態(tài)和石墨烯，而是繼續(xù) “深耕” 鋰離子電池，原因主要?dú)w結(jié)為兩點(diǎn)。

第一，受制于供應(yīng)商的電池技術(shù)。

在電池供應(yīng)方面，特斯拉和松下、LG 化學(xué)、寧德時(shí)代都有合作，特斯拉汽車(chē)所使用的 1865 電池和 2170 電池皆由他們提供，但受制于性能、安全、規(guī)模、價(jià)格等綜合因素的權(quán)衡，圓柱形鋰離子電池是目前供應(yīng)商能給特斯拉的最好電池。

顯然，這離特斯拉心目中的 “理想電池 ”還有一些差距。既然自己想要的電池供應(yīng)商給不了，于是特斯拉便走向了“自研+自產(chǎn) ”電池的道路。

所謂“術(shù)業(yè)有專(zhuān)攻”，特斯拉在電池領(lǐng)域的積累顯然不如松下等老牌供應(yīng)商，故此其花重金請(qǐng)來(lái)鋰離子電池界的祖師級(jí)人——Jeff Dahn 親自掛帥擔(dān)任特斯拉首席科學(xué)家，開(kāi)發(fā) “不可能三角”電池，這是一種能量密度更高、充電速度更快、制造成本更低的鋰離子電池。

Jeff Dahn 也不辱使命，時(shí)隔一年便交上一份讓馬斯克滿意的答卷，盡管 4680 電池還存在些許不足，但它的綜合性能很好地提振了行業(yè)信心。

從第三方采購(gòu)、到合資建廠、再到自研自產(chǎn)，特斯拉在電池道路上儼然走出了自己的步伐。可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)幾年內(nèi)特斯拉將繼續(xù)沿著現(xiàn)有成熟路線使用圓柱形電池的多并聯(lián)方案、繼續(xù)開(kāi)發(fā)大容量鋰離子電池。

第二，特斯拉的商業(yè)策略。

特斯拉歸根結(jié)底是一家車(chē)企，是企業(yè)就要盈利，想盈利就要控制成本。固態(tài)電池雖然無(wú)比優(yōu)越，但現(xiàn)階段不論是技術(shù)還是工藝都存在瓶頸，完全不具備規(guī)?；慨a(chǎn)的可能，而且成本高高在上，沒(méi)有商業(yè)化的實(shí)用價(jià)值。在特斯拉看來(lái)，使用成熟的鋰離子電池是當(dāng)下更優(yōu)的解決方案。

特斯拉使用的1865電池和2170電池

特斯拉之所以如此關(guān)注電池，是因?yàn)槌擞绊懻?chē)的性能表現(xiàn)之外，電池在整車(chē)成本占比高達(dá) 40%，只有電池成本降下來(lái)，整車(chē)成本才能降下來(lái)。這也正是為什么 2020 年 “電池日”上馬斯克宣稱要在三年內(nèi)推出一款 2.5 萬(wàn)美元（約合 16 萬(wàn)人民幣）的電動(dòng)汽車(chē)，其底氣正是來(lái)自 4680 電池的成本已降低 56%。

特斯拉計(jì)劃推出2.5 萬(wàn)美元的電動(dòng)汽車(chē)

特斯拉的商業(yè)策略是 “低價(jià)搶市場(chǎng)” ，以加速全球市場(chǎng)拓展。隨著蘋(píng)果等互聯(lián)網(wǎng)大廠也宣布要造車(chē)，現(xiàn)階段特斯拉要做的是盡快搶占市場(chǎng)，靠的就是低價(jià)。對(duì)廣大消費(fèi)者而言，價(jià)格依然還是眾多因素中最優(yōu)先考慮的，比如之前特斯拉宣布降價(jià)時(shí)，官網(wǎng)一度癱瘓、線下門(mén)店擠得水泄不通。

和國(guó)內(nèi)一些新能源車(chē)企不惜代價(jià)大搞 “千公里續(xù)航”不同，特斯拉更看重電池的成本。前有電池技術(shù)瓶頸的掣肘，后有來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)大廠的圍攻，該公司現(xiàn)在最想做的是盡快降低電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格，以更低的價(jià)格占領(lǐng)市場(chǎng)，讓市場(chǎng)快速達(dá)到飽和。

業(yè)內(nèi)人士：4680 電池并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期

對(duì)于特斯拉 4680 電池，吳凡表達(dá)了自己的看法：“特斯拉主要通過(guò)優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)件、簡(jiǎn)化電池生產(chǎn)工藝流程等，提升電池標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能力，達(dá)到降低電池成本的目的。這種通過(guò)增加單塊電池體積來(lái)增加電池包能量密度的技術(shù)路線或思路在本質(zhì)上與比亞迪的刀片電池、還有寧德時(shí)代的 CTP 技術(shù)是一致的?！?/p>

電池并聯(lián)太多會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)熱、效率低等不良影響，大容量電池可以有效減少并聯(lián)數(shù)，系統(tǒng)管理層面也變得更加簡(jiǎn)單?！按笕萘炕钦麄€(gè)新能源汽車(chē)電池行業(yè)的趨勢(shì)。”馮旭寧表示。

特斯拉電池的“無(wú)鈷高鎳”計(jì)劃

石墨烯電池技術(shù)還在開(kāi)發(fā)中

單看特斯拉的 PPT介紹，4680 電池的性能表現(xiàn)著實(shí)令人贊嘆，仿佛再次讓業(yè)界看到了希望。然而在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，這種電池并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期。

“特斯拉在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域?qū)儆跇?biāo)桿型企業(yè)，它對(duì)于電池的理解也會(huì)更加深刻，由于關(guān)注度過(guò)高的原因，大眾對(duì)它可以說(shuō)是‘寄予厚望，業(yè)內(nèi)人士覺(jué)得 4680 電池并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期?！瘪T旭寧說(shuō)。“不可否認(rèn)的是，特斯拉 4680 電池的綜合性能依然位列國(guó)際第一梯隊(duì)，但前面要加一個(gè)定語(yǔ)——在圓柱形鋰離子電池范疇里?！彼S后補(bǔ)充道。

嚴(yán)格意義來(lái)講，特斯拉 4680 電池更像是一次“優(yōu)化升級(jí)”，而非“革命 ”。

另外，特斯拉的這種圓柱形鋰電池容量也有“天花板 ”?！爸饕且?yàn)閳A柱形鋰電池需要卷芯，外圍部分性能較好，但越靠近核心位置曲率越大，易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，造成活性物質(zhì)不可用，進(jìn)而形成浪費(fèi)。所以這種電池容量是有上限的，沒(méi)辦法做得特別大?！瘪T旭寧表示。未來(lái)，轉(zhuǎn)向其他電池，比如業(yè)界普遍看好的固態(tài)電池或許是更好的出路。

目前的固態(tài)電池和石墨烯電池其實(shí)正處于過(guò)渡階段，即固態(tài)電解質(zhì)和石墨烯還只是屬于“添加劑”性質(zhì)?！氨热缭阡囯x子電池中添加固體電解質(zhì)以增加能量密度、提升安全性;在負(fù)極添加石墨烯以增強(qiáng)導(dǎo)電性、提高充電速度。兩者添加得越多，性能就越好，但相應(yīng)的工藝難度和制造成本也就越高。”馮旭寧說(shuō)道。

顯然，不論是固態(tài)電池還是石墨烯電池，現(xiàn)階段都不具備量產(chǎn)的可能性。

特斯拉的鐵人三項(xiàng)：做電池、搞快充、建電樁

電池直接關(guān)系到汽車(chē)整體性能表現(xiàn)，而日常駕駛讓車(chē)主感到焦慮的，除了續(xù)航里程，再就是充電速度。

特斯拉電池回收

“續(xù)航里程對(duì)應(yīng)的是電池的能量密度，充電速度對(duì)應(yīng)的是電池的功率密度。”馮旭寧說(shuō)，“想提高能量密度可以電極做得厚一些，想提高功率密度可以電極做得薄一些，但這兩者是矛盾的，這就需要電池廠商在設(shè)計(jì)電池的過(guò)程中去綜合考量，進(jìn)行權(quán)衡和取舍。”他補(bǔ)充道。

“快充技術(shù)，電池廠商和車(chē)企各負(fù)責(zé)一半。”馮旭寧表示。電池廠商能做的是“電池先天的 ”導(dǎo)電能力強(qiáng)，比如添加導(dǎo)電劑，控制電芯預(yù)緊力，將電極做成梯度電極或薄電極等;車(chē)企能做的是 “電池后天的 ”充電過(guò)程中對(duì)電流進(jìn)行控制，讓電池充電過(guò)程中不過(guò)熱，不損壞電極材料?！澳壳?，行業(yè)的目標(biāo)是充電 5 分鐘能跑 200 公里?！?他說(shuō)。

特斯拉的快充技術(shù)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先，其采用“高功率直流電”模式，充電功率達(dá) 40kW 以上，比如特斯拉超級(jí)充電站可以實(shí)現(xiàn) 30 分鐘充一半，80 分鐘完全充滿。在充電站 / 樁建設(shè)方面，特斯拉更是走在世界前列。據(jù)統(tǒng)計(jì)，特斯拉在全球范圍擁有超過(guò) 2 萬(wàn)個(gè)超級(jí)充電樁。在中國(guó)大陸擁有 750 余個(gè)超級(jí)充電站、6000 余個(gè)超級(jí)充電樁，覆蓋 300 個(gè)以上的城市。

關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)淘汰下來(lái)的廢舊電池污染問(wèn)題。馮旭寧表示，“廢舊電池是污染源主要指的是重金屬污染，比如鉛酸電池里的鉛，鎳鎘電池里的鎘，而鋰離子電池內(nèi)部的原料毒性較低（鋰離子電池中鈷的占比大約為 1%～3%），一般不會(huì)對(duì)土壤造成重金屬殘留?！?/p>

馬斯克在 2020 年“電池日” 上也曾公開(kāi)表示：“廢舊電池可以進(jìn)行收回利用，用于低配車(chē)型或者太陽(yáng)能等有儲(chǔ)能需求的領(lǐng)域，這樣也能進(jìn)一步降低電池的使用成本?！?/p>

對(duì)此，馮旭寧說(shuō)：“電池回收一般分兩類(lèi)，一類(lèi)是在高負(fù)荷下用完之后，到低負(fù)荷下繼續(xù)使用，比如一些 5G 通信基站可以利用電動(dòng)汽車(chē)淘汰下來(lái)的舊電池;另一類(lèi)就是直接報(bào)廢，通過(guò)物理法破碎成原材料，分離出電池中的有用金屬，比如銅、鋁、鈷、鎳等，再重新送回電池廠加工成電池，這方面回收效率非常高，接近 100%?！?/p>

與此同時(shí)，吳凡也指出了現(xiàn)階段電池回收產(chǎn)業(yè)存在的一些問(wèn)題：“ 第一，電池廠商多且使用很分散，廢電池收集缺乏有效渠道;第二，電池剩余壽命以及回收價(jià)格評(píng)估難;第三，電池拆解難度大，且存在一定安全隱患;第四，電池回收涉及行業(yè)眾多，商業(yè)模式需要進(jìn)一步探索和完善。”

從硬件研發(fā)到軟件布局，特斯拉在下一盤(pán)大棋

以往，人們對(duì)于傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的認(rèn)知僅僅停留在“硬件 ”層面，認(rèn)為汽車(chē)只是一個(gè)代步工具而已。到了如今的新能源汽車(chē)時(shí)代，人們發(fā)現(xiàn)原來(lái)汽車(chē)也是可以搭載操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能化的。

在電動(dòng)汽車(chē)的硬件中，電池?zé)o疑是最為核心的部分;而在軟件中，全自動(dòng)駕駛是核心，比如特斯拉的 FSD（Full Self-Driving）在業(yè)內(nèi)就像標(biāo)桿一般的存在，且收費(fèi)不菲。據(jù)了解，目前特斯拉 FSD 套在中國(guó)的售價(jià)高達(dá) 6.4 萬(wàn)元。“特斯拉的業(yè)務(wù)布局將會(huì)變得和蘋(píng)果越來(lái)越像，未來(lái)，特斯拉可能會(huì)變成一個(gè)服務(wù)商，不單靠賣(mài)汽車(chē)硬件，更多的是通過(guò)軟件服務(wù)實(shí)現(xiàn)盈利?！?/p>

從電動(dòng)汽車(chē)硬件到車(chē)載系統(tǒng)軟件，從電池技術(shù)、整車(chē)組裝，到 FSD 以及軟件生態(tài)，不難看出，特斯拉正在下一盤(pán)大棋。

（編輯/小文）