鈷在新能源汽車動力鋰電池中的應(yīng)用前景分析

王曉明

1 鈷在全球新能源汽車市場中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 鈷的應(yīng)用市場逐步向鋰電池傾斜

傳統(tǒng)上，鈷主要的消費市場分布在鋰電池材料、硬質(zhì)合金、高溫合金、磁性材料等領(lǐng)域。隨著消費電子領(lǐng)域3C產(chǎn)品及電動汽車和儲能領(lǐng)域的迅猛擴展，鋰電池領(lǐng)域已逐漸成為鈷的第一大應(yīng)用市場。據(jù)世界金屬統(tǒng)計局（WBMS）統(tǒng)計，2020年全年鈷消費量預(yù)計達到13.1萬金屬噸，2020年全球和中國市場鋰電池領(lǐng)域鈷的消費占比將分別達到69%和84%，2020年全球正極材料鈷消耗量約8.5萬金屬噸，同比增長11%；其中鈷酸鋰用鈷5.3萬t，三元材料用鈷3.9萬t。由于新能源汽車的蓬勃發(fā)展，動力鋰電中正極材料的需求與日俱增，加之近幾年車用鋰電正極材料主要采用三元體系，因此激發(fā)了電池行業(yè)對鈷金屬后續(xù)需求的樂觀預(yù)估。

1.2 車用動力電池是未來鋰電市場最大增長點

“碳中和”及碳減排已經(jīng)逐漸成為全球共同的價值觀，新能源汽車在全球范圍內(nèi)均被視為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，即使在2020年新冠疫情的影響下，全球各重要經(jīng)濟體卻明確將其作為未來發(fā)展方向，各國和主力車企陸續(xù)公布燃油車禁售時間表和新能源汽車發(fā)展目標。2021年1月，美國總統(tǒng)拜登上任后首次簽署行政令，重新加入巴黎氣候協(xié)定。中國宣布力爭碳排放于2030年前達到峰值，2060年前實現(xiàn)“碳中和”，即碳排放總量為零。全球新能源汽車產(chǎn)業(yè)成為主要經(jīng)濟體疫情后刺激經(jīng)濟的主要著力點，正在迎來新一輪的成長機遇期。

2020年也是全球電動汽車（EV）年銷量首次突破300萬輛的一年。根據(jù)EV Sales Blog的數(shù)據(jù)，2020年全球電動汽車銷量約為312.5萬輛，同比增長41%，汽車市場占比份額達到4%。其中，純電動汽車（BEV）的市場份額為2.8%，插電式混合動力汽車（PHEV）的市場份額為1.2%。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成136.6萬輛和136.7萬輛，同比分別增長7.5%和10.9%。其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成110.5萬輛和111.5萬輛，同比分別增長5.4%和11.6%（具體情況見圖1）。

根據(jù)EV Sales Blog的數(shù)據(jù)，2020年歐洲電動乘用汽車銷量創(chuàng)下史上最高紀錄，同比增長142%，全年電動車銷量超過136萬輛，超過中國市場，成為全球最大電動乘用車市場（見圖2）。分電池體系來看，歐洲電動車以NCM/NCA三元鋰電池配套為主。

2020年美國電動汽車銷量同比增長4%，而汽車市場銷量同比降低15%（見圖3），這主要來得益于Model—Y的推出。美國市場依然以NCM/NCA三元鋰電池配套為主。

1.3 三元材料在車用動力電池的應(yīng)用現(xiàn)狀

EV Tank發(fā)布的白皮書數(shù)據(jù)顯示，2020年全球鋰離子電池出貨量達到294.5GWh，得益于歐洲新能源汽車市場的超預(yù)期增長，全球汽車用動力電池（EV Lib）出貨量同比增長26.4%，達到158.2GWh，中國市場汽車用動力電池（EV Lib）出貨量為84.5GWh。分材料體系來看，海外電動車目前幾乎均為三元電池，中國市場呈現(xiàn)三元電池為主，磷酸鐵鋰電池快速追趕，未來可能呈現(xiàn)并駕齊驅(qū)的趨勢。

中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟發(fā)布最新數(shù)據(jù)顯示，2020年中國動力電池裝機量累計63.6GWh，同比上升2.3%。其中三元電池裝車量累計38.9GWh，占總裝車量61.1%，同比累計下降4.1%；磷酸鐵鋰電池裝車量累計24.4GWh，占總裝車量38.3%，同比累計增長20.6%（見圖4）。

雖然在疫情因素影響下，2020年上半年國內(nèi)新能源汽車市場表現(xiàn)略顯不佳，但是隨著小動力、儲能等市場的崛起以及下半年全球新能源汽車市場的復(fù)蘇，2020年國內(nèi)各鋰電原材料產(chǎn)量均取得較大幅增長。據(jù)鑫欏資訊統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)4大正極材料總產(chǎn)量51.9萬t，同比增長20.8%，其中磷酸鐵鋰材料表現(xiàn)強勢，產(chǎn)量達到14.2萬t，同比增長45.7%。鈷酸鋰與錳酸鋰正極材料的產(chǎn)量分別為7.38萬t及9.29萬t，同比分別增長24.8%及21.6%；三元材料產(chǎn)量增速最緩，僅7%，全年總量約為21萬t。

目前在車用動力電池上量產(chǎn)的三元動力材料主要有NCM333系列、NCM523系列、NCM622系列和NCM811系列以及NCA產(chǎn)品。國內(nèi)三元材料技術(shù)競爭激烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代速度較快，由于多元化的靈活性要求，中國市場上還衍生出一些偏比例產(chǎn)品，如Ni：Co：Mn=65：15：20及55：15：30等等。

1.4 鈷在三元動力電池應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局2020年數(shù)據(jù)顯示，全球鈷礦資源儲量約為698.9萬金屬噸，鈷礦絕大多數(shù)屬于銅、鎳的伴生礦，原生鈷礦占比不超過5%，鈷的供應(yīng)受銅、鎳礦產(chǎn)量影響較大，鈷產(chǎn)量與鎳、銅產(chǎn)量息息相關(guān)，單獨開采鈷成本較高，因此鈷供應(yīng)的彈性較小，供應(yīng)并不隨鈷的需求增加而增加。

全球鈷的資源儲量高度集中，剛果（金）的鈷儲量為360萬金屬噸，占全球鈷儲量的52%，居世界第1，而中國鈷儲量約為8萬金屬噸，全球占比僅1.1%。我國鈷資源主要集中在甘肅，金川是我國最大的鎳鈷資源和生產(chǎn)基地。剛果（金）是全球最主要的鈷礦生產(chǎn)國，位于非洲中西部，在剛果（金）及其周圍國家和地區(qū)境內(nèi)的錫石、黑鎢、鈳鉭、鐵礦和黃金等稀有金屬開采與沖突的武裝組織有關(guān)（資助），導(dǎo)致該地區(qū)長期不穩(wěn)定，已造成嚴重的人權(quán)與環(huán)境問題，對產(chǎn)業(yè)終端企業(yè)和下游產(chǎn)業(yè)鏈安全有重要影響。

2020年嘉能可斯特拉塔股份有限公司在全球鈷的市場份額達到20%，洛陽欒川鉬業(yè)集團股份有限公司、浙江華友鈷業(yè)股份有限公司、歐亞資源集團（ERG）和Chemaf Sarl鈷礦公司市場份額分別占比10%、9%、7%和6%，前5家合計占據(jù)全球52%的份額。嘉能可是全球最大的鈷生產(chǎn)商和貿(mào)易商，控制了剛果（金）最優(yōu)質(zhì)的銅鈷礦山，其經(jīng)營策略對于全球鈷供需及其預(yù)期的邊際影響權(quán)重較大，一定程度上掌握了全球鈷市場的定價權(quán)。

在鈷原料加工環(huán)節(jié)，中國占據(jù)全球67%的精煉鈷產(chǎn)量，是最重要的鈷精煉基地，中國的鈷原料94%進口自剛果（金），其中約60%從南非出港運往中國，2020年和2021年初因非洲疫情影響，港口封閉或陸運等因素導(dǎo)致國際鈷價格劇烈波動，對產(chǎn)業(yè)鏈造成了巨大影響。

鈷價波動幅度較大，過去20年，鈷價高幅達到約48美元/磅（折合人民幣約86萬元/t），低幅跌到8美元/磅（折合人民幣15萬/t），價格差距高達6倍，且出現(xiàn)多次暴漲暴跌的現(xiàn)象。2002年開始，由于全球電子產(chǎn)品和高溫合金的對鈷的大量需求，同時剛果（金）政府開始執(zhí)行禁止出口未加工的鈷的禁令，鈷礦石產(chǎn)量現(xiàn)10年來首次下降，出現(xiàn)供應(yīng)遠遠不能滿足需求的情況，鈷價開始暴漲，在2008年達到高位。在鈷的應(yīng)用范圍逐步擴大的背景下，中國生產(chǎn)和消費精煉鈷也在快速增長，成為世界最大的精煉鈷生產(chǎn)基地，隨著2008年全球爆發(fā)金融危機，鈷價格又現(xiàn)長達7年的下跌周期。

2016年全球電動汽車的快速發(fā)展，三元鋰電池用鈷成為鈷需求增速最快、空間最大的領(lǐng)域。在全球新能源汽車爆發(fā)和各類市場炒作力量的綜合影響下，鈷逐漸進入了又一輪大周期，而剛果（金）政府政策的不確定性（新礦業(yè)法），以及不穩(wěn)定的時局，也帶來更多的擾動。最終在2018年4月份達到頂峰，隨后由于全球電動汽車推廣不及預(yù)期，中國對電動車補貼退坡，電動車安全性頻發(fā)的背景下，鈷價開始急速回落。2020年國際市場鈷價在13～18美元/磅（折合人民約22萬～31萬元/t）之間波動。2021年初開始，在新冠疫情、全球大范圍經(jīng)濟刺激計劃和全球電動車需求超預(yù)期的影響下，價格又一次快速上漲。大起大落的價格劇烈波動對下游電池廠、整車廠的成本造成了巨大壓力和供應(yīng)鏈安全風(fēng)險。以特斯拉等為代表的下游車企和寧德時代新能源科技股份有限公司（CATL）、SK等為代表的鋰電池企業(yè)為確保供應(yīng)鏈安全和成本可控，一方面通過技術(shù)途徑不斷探索高鎳化、低鈷化甚至無鈷化動力電池技術(shù)探索降低鈷的需求，另一方面直接到剛果源頭采購鈷資源保障自用鈷資源的穩(wěn)定性。盡管如此，在動力電池的組成金屬之中，鈷的價格最高鈷價的高價和價格波動幅度仍然給下游的車企和動力電池企業(yè)帶來巨大的經(jīng)營風(fēng)險，車企和動力鋰電企業(yè)必會持續(xù)從技術(shù)層面及供應(yīng)穩(wěn)定性上不斷減少鈷的使用。

2 動力電池?zé)o鈷化、高鎳化背景下鈷的應(yīng)用前景

根據(jù)美國能源部資料，如果電動汽車要與汽油或柴油汽車競爭，電動汽車則必須達到125美元/kWh（0.8元/Wh）的價格。美國能源部估計到2022年將達到這一臨界值。某些其他研究機構(gòu)表示，當(dāng)電池成本降低至100美元/kWh（0.7元/kWh）時，可以替代汽油/柴油。

針對成本下降和能量密度提升的兩個關(guān)鍵指標，中國動力電池采取的正極材料體系的技術(shù)路線主要有3個，一是三元材料高鎳低鈷路線，二是三元材料低鎳高電壓路線，三是疊加刀片電池等模組簡化技術(shù)的磷酸鐵鋰路線。

2.1 三元動力電池高鎳低鈷化

三元動力電池采用的正極材料從最初的NCM333逐漸增加鎳的用量，降低鈷的用量，直至鎳上升到90%以上，鈷減到無鈷，并配合負極加硅，電解質(zhì)從有機溶劑逐步向全固態(tài)電池發(fā)展。從能量密度的角度來看，高鎳三元材料優(yōu)勢較為明顯：NCM/NCA電芯能量密度達到280～300Wh/kg，電池包能量密度180～210Wh/kg；LFP電芯能量密度達到200Wh/kg，電池包能量密度≥160Wh/kg；錳酸鋰電芯能量密度達到170Wh/kg，電池包能量密度135Wh/kg。但是從成本的角度來說，無鈷的LFP體系鋰電池有顯著的優(yōu)勢。

對比2020及2019年動力三元電池產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，高鎳化趨勢依舊明顯。2020年三元材料523占比56%，相比于2018年比重基本不變；NCM622占比17%，相比于2018年比重下降6.2%；高鎳811（NCM811）占比24.3%，相較于2019年比重有較大提升。

由于2020年夏天高鎳車型安全事故頻發(fā)，市場對高鎳三元的應(yīng)用更為謹慎，加上電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化，5系三元+CTP技術(shù)逐步使用至新車型上，國內(nèi)5系三元應(yīng)用比例有所增加，國內(nèi)8系需求穩(wěn)定，8系材料的需求增量基本來自國外。

為滿足未來電動車里程需求，高鎳化是三元材料發(fā)展的必經(jīng)之路，未來隨著明星高端車型的研發(fā)，以及電池廠高鎳電池研發(fā)安全方面取得突破，同時可以應(yīng)用于無模組動力電池包（CTP）技術(shù)，高鎳三元材料產(chǎn)量占比或?qū)⑦M一步上升。

2.2 三元動力電池中鎳高電壓

鋰電池在高電壓、長周期循環(huán)情況下，正極材料粉化比較明顯，電芯容易出現(xiàn)循環(huán)跳水。近幾年來發(fā)展較快的單晶型的三元材料由于晶體機構(gòu)穩(wěn)定，不但產(chǎn)熱量少，安全性能更為優(yōu)異，在高電壓環(huán)境中容量發(fā)揮也較高，有效提升了鋰電池的能量密度。

同時由于中鎳如5系、6系三元材料的生產(chǎn)技術(shù)成熟，目前材料成本比8系高鎳低15%～25%。配合高電壓應(yīng)用也可以達到高鎳811常電壓下的能量密度，因此在我國市場上得到快速應(yīng)用。目前5系、6系和7系三元材料已經(jīng)實現(xiàn)了4.3～4.35V高電壓化，8系三元材料由于安全性能略差，目前仍主要在常電壓下使用。

中鎳三元材料高電壓體系是三元動力電池短期內(nèi)比較安全可靠的技術(shù)路線之一。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，高鎳811體系也有可能實現(xiàn)高電壓下的應(yīng)用。

2.3 動力電池?zé)o鈷化——磷酸鐵鋰和高鎳無鈷正極

在電芯成本快速下降的迫切壓力下，車企和鋰電池企業(yè)尋求成本更低的材料體系，同時改良電池成組技術(shù)，降低在模組和電池包方面的空間和零部件損耗，進一步擴大了磷酸鐵鋰電芯的應(yīng)用場景。

磷酸鐵鋰體系動力電池的主要生產(chǎn)和應(yīng)用都在中國，但由于能量密度低，在乘用車上的應(yīng)用受到制約。此次比亞迪在模組集成技術(shù)上獲得突破，采用刀片電池技術(shù)，使得“漢”純電動車續(xù)航里程超過600km。磷酸鐵鋰電池由于安全性好、成本低，成為中國車企中低端車型的主要選擇。磷酸鐵鋰未來對三元體系鋰電池的沖擊不容忽視。

由于鈷價的昂貴和高幅波動，降低三元正極材料中的鈷含量甚至開發(fā)無鈷材料是目前正極材料的研發(fā)趨勢。比如鎳錳酸鋰、鎳鎂酸鋰、鎳鋁酸鋰等二元體系的正極材料，二元正極材料的技術(shù)瓶頸在于比容量和循環(huán)性能。但隨著車企和動力電池企業(yè)對于正極材料無鈷化呼聲愈演愈烈，特斯拉Elon Musk指出Tesla所用電池中三元材料的鈷含量已經(jīng)小于3%，預(yù)計下一代電池中將不含鈷。長城汽車下屬蜂巢能源電池也推出了無鈷材料和四元材料。未來高端電動車型上采用低鈷化正極材料的趨勢越來越明晰。

3 未來鈷應(yīng)用前景展望

3.1 作為電池正極材料的添加劑

高鎳NCM/NCA材料能量密度高，是高端電動汽車動力鋰電池的首選正極材料。高鎳三元材料未來發(fā)展的最大隱患是安全問題，若解決了高鎳三元材料電池的安全問題，電動車的續(xù)航里程還可以進一步提升，甚至高鎳三元材料也可以應(yīng)用高電壓體系，并可以采用鋰電池CTP集成方案，未來高鎳三元電池電動車實際續(xù)航里程可能達到800～1000km，屆時可能開啟電動汽車大規(guī)模替代油車的大幕?？梢灶A(yù)期高鎳三元材料未來在固態(tài)鋰電池中也會發(fā)揮重要作用。目前高鎳NCM的鎳（Ni）比例已經(jīng)開始向Ni90%～Ni95%發(fā)展，鈷（Co）在高鎳NCM中的比例已經(jīng)逐步下降至5%以下，未來有可能相當(dāng)于添加劑的分量。

3.2 高電壓材料進一步發(fā)展，中鎳三元生命周期仍較長

高電壓多元材料可以提高材料能量密度，一方面能夠提高電池的實際使用電壓，另一更重要的方面是也能夠脫出更多的鋰離子，增加容量。多元材料如N C M622體系在提高工作電壓后比容量可以達到或接近N C M811的水平。以前市場上普遍使用的二次顆粒結(jié)構(gòu)的三元材料不適合于高電壓體系使用，單晶型三元正極材料在高電壓下表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，尤其是在高溫循環(huán)、存儲、脹氣和阻抗增加方面優(yōu)勢十分明顯。單晶型高電壓5系、6系三元材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用到動力鋰電池上，單晶型高電壓 7系三元材料也到即將大規(guī)模批量應(yīng)用。

同時在中鎳的高電壓單晶體系中，不斷出現(xiàn)偏比例的低鈷材料的身影，比如目前國內(nèi)一些鋰電巨頭采用的Ni55Co15錳（Mn）30；Ni56Co12Mn3 2；Ni60Co10Mn30；Ni65Co07Mn28，等等，從量產(chǎn)品來看，中鎳產(chǎn)品中鈷的比例也在不斷下降，未來趨勢和高鎳三元材料一樣，鈷逐漸成為鋰電正極多元材料的添加劑。如果鈷價能夠穩(wěn)定在15美元/磅以下，中鎳高電壓三元材料綜合性能較好，其產(chǎn)品仍會有一定的生命周期。

3.3 鈷產(chǎn)業(yè)循環(huán)回收可提升鈷供應(yīng)量，促進可持續(xù)發(fā)展

全球鎳鈷資源有限，未來電動汽車普及對鎳鈷資源的需求不斷擴大，為了三元材料電動汽車的可持續(xù)發(fā)展，三元電池的低成本清潔回收至關(guān)重要。對已經(jīng)報廢的動力電池進行破碎、拆解和冶煉等，實現(xiàn)鎳、鈷、錳、鋰等資源的回收利用，通過資源化回收，鎳、鈷、錳等金屬元素可實現(xiàn)95%以上的再利用，經(jīng)濟效益顯著。產(chǎn)出的鎳、鈷、錳及鋰鹽，可用于生產(chǎn)三元前驅(qū)體和正極材料，進一步用于鋰電池電芯的制造。退役三元電池的正極材料中的有價金屬可再次用于三元正極材料的制造，部分滿足未來對于動力電池制造的需求，減少對于國外原材料進口的依賴，幫助企業(yè)控制原材料成本上漲帶來的不利影響。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的管理更加細化，三元電池和磷鐵電池其退役殘值也會有較明顯不同，如果回收規(guī)模能夠做大，在一定程度上也能降低整個產(chǎn)業(yè)鏈的成本。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.013