馬斯克押注“無鈷高鎳”電池， 專家：無鈷是發(fā)展趨勢

綜合整理報道

低鈷和無鈷是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢。談及電池產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院助理教授、電池安全實驗室主任馮旭寧指出。對此，中國科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師、天目湖先進儲能技術(shù)研究院首席科學(xué)家吳凡也表達了相同的觀點：“對鋰離子電池正極材料而言，‘高鎳低鈷或‘無鈷化是大勢所趨。”

在過去 20 年里，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展一路突飛猛進，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)卻沒有取得太大突破，縱然每年都會有各種 “XX 新型電池”的新聞沖上熱搜，但最終還是淪為“PPT 電池 ”：或是因為技術(shù)工藝，或是因為成本造價，或是因為安全性等各種因素，始終走不出實驗室，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汽車發(fā)展道路上的絆腳石。

高舉“無鈷”大旗，馬斯克進軍電池界

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”，更確切地說應(yīng)該是“攪局者”。按照馬斯克以往的“風(fēng)格”，他每進入到一個行業(yè)必定會掀起一場腥風(fēng)血雨。

電池占據(jù)整車成本的大頭，那接下來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)對鈷的消費量最大，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，同時能得到十份的鎳。“但鈷這種元素存在兩個缺點。第一，鈷具有一定的毒性;第二，鈷的提純比較困難。”馮旭寧說道。

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 萬噸，儲量 720 萬噸，主要集中在剛果（金）、澳大利亞和古巴，三國儲量之和占全球總儲量的 68%。剛果（金）儲量居世界首位，達 340 萬噸。” 吳凡指出，“鈷由于其稀缺性已成為戰(zhàn)略性稀有金屬資源，同時其供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)集中化、不穩(wěn)定，已成為新能源汽車發(fā)展的掣肘。”

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

低鈷乃至無鈷既是特斯拉接下來要走的路線，也是需要克服的難題，這一點馬斯克在 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)表過一篇論文指出鋰電池正極材料“無鈷高鎳”的可行性，畢竟鎳在自然界比鈷多得多，提純也相對容易一些。無疑，正是 Jeff Dahn 的觀點極大地堅定了馬斯克要造 “無鈷電池 ”的信心。

談及 Jeff Dahn，馮旭寧表示：“關(guān)于鋰電池材料尤其是無鈷材料，Dahn 先生課題組很早就開展研究了。Jeff Dahn 先生是少數(shù)經(jīng)歷過鋰電技術(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

對于電池“無鈷”化，馮旭寧表示：“ ‘低鈷和‘無鈷是未來電池正極材料的發(fā)展趨勢。但在電池‘無鈷化的同時需要添加其他的離子來替代鈷在電池充放電過程中的作用。”

盡管特斯拉現(xiàn)階段的電池還離不開鈷，但縱觀過往其歷代電池，其鈷含量正在不斷降低，最終實現(xiàn)電池“無鈷”化指日可待。

被逼無奈，特斯拉走向自研自產(chǎn)電池之路

作為新能源汽車領(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，但未來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，原因主要歸結(jié)為兩點。

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)、寧德時代都有合作，特斯拉汽車所使用的 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，故此其花重金請來鋰離子電池界的祖師級人——Jeff Dahn 親自掛帥擔(dān)任特斯拉首席科學(xué)家，開發(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、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，未來幾年內(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)模化量產(chǎn)的可能，而且成本高高在上，沒有商業(yè)化的實用價值。在特斯拉看來，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，是因為除了影響整車的性能表現(xiàn)之外，電池在整車成本占比高達 40%，只有電池成本降下來，整車成本才能降下來。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 萬美元（約合 16 萬人民幣）的電動汽車，其底氣正是來自 4680 電池的成本已降低 56%。

特斯拉計劃推出2.5 萬美元的電動汽車

特斯拉的商業(yè)策略是 “低價搶市場” ，以加速全球市場拓展。隨著蘋果等互聯(lián)網(wǎng)大廠也宣布要造車，現(xiàn)階段特斯拉要做的是盡快搶占市場，靠的就是低價。對廣大消費者而言，價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時，官網(wǎng)一度癱瘓、線下門店擠得水泄不通。

和國內(nèi)一些新能源車企不惜代價大搞 “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汽車價格，以更低的價格占領(lǐng)市場，讓市場快速達到飽和。

業(yè)內(nèi)人士：4680 電池并沒有達到預(yù)期

對于特斯拉 4680 電池，吳凡表達了自己的看法：“特斯拉主要通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)件、簡化電池生產(chǎn)工藝流程等，提升電池標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)能力，達到降低電池成本的目的。這種通過增加單塊電池體積來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、還有寧德時代的 CTP 技術(shù)是一致的。”

電池并聯(lián)太多會導(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單。“大容量化是整個新能源汽車電池行業(yè)的趨勢。”馮旭寧表示。

特斯拉電池的“無鈷高鎳”計劃

石墨烯電池技術(shù)還在開發(fā)中

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

“特斯拉在電動汽車領(lǐng)域?qū)儆跇?biāo)桿型企業(yè)，它對于電池的理解也會更加深刻，由于關(guān)注度過高的原因，大眾對它可以說是‘寄予厚望，業(yè)內(nèi)人士覺得 4680 電池并沒有達到預(yù)期。”馮旭寧說。“不可否認(rèn)的是，特斯拉 4680 電池的綜合性能依然位列國際第一梯隊，但前面要加一個定語——在圓柱形鋰離子電池范疇里。”他隨后補充道。

嚴(yán)格意義來講，特斯拉 4680 電池更像是一次“優(yōu)化升級”，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 ”。“主要是因為圓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，進而形成浪費。所以這種電池容量是有上限的，沒辦法做得特別大。”馮旭寧表示。未來，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正處于過渡階段，即固態(tài)電解質(zhì)和石墨烯還只是屬于“添加劑”性質(zhì)。“比如在鋰離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：做電池、搞快充、建電樁

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

特斯拉電池回收

“續(xù)航里程對應(yīng)的是電池的能量密度，充電速度對應(yīng)的是電池的功率密度。”馮旭寧說，“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)計電池的過程中去綜合考量，進行權(quán)衡和取舍。”他補充道。

“快充技術(shù)，電池廠商和車企各負(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，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;車企能做的是 “電池后天的 ”充電過程中對電流進行控制，讓電池充電過程中不過熱，不損壞電極材料。“目前，行業(yè)的目標(biāo)是充電 5 分鐘能跑 200 公里。” 他說。

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 40kW 以上，比如特斯拉超級充電站可以實現(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，特斯拉在全球范圍擁有超過 2 萬個超級充電樁。在中國大陸擁有 750 余個超級充電站、6000 余個超級充電樁，覆蓋 300 個以上的城市。

關(guān)于電動汽車淘汰下來的廢舊電池污染問題。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%），一般不會對土壤造成重金屬殘留。”

馬斯克在 2020 年“電池日” 上也曾公開表示：“廢舊電池可以進行收回利用，用于低配車型或者太陽能等有儲能需求的領(lǐng)域，這樣也能進一步降低電池的使用成本。”

對此，馮旭寧說：“電池回收一般分兩類，一類是在高負(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汽車淘汰下來的舊電池;另一類就是直接報廢，通過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%。”

與此同時，吳凡也指出了現(xiàn)階段電池回收產(chǎn)業(yè)存在的一些問題：“ 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格評估難;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，特斯拉在下一盤大棋

以往，人們對于傳統(tǒng)燃油汽車的認(rèn)知僅僅停留在“硬件 ”層面，認(rèn)為汽車只是一個代步工具而已。到了如今的新能源汽車時代，人們發(fā)現(xiàn)原來汽車也是可以搭載操作系統(tǒng)，可以實現(xiàn)智能化的。

在電動汽車的硬件中，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，且收費不菲。據(jù)了解，目前特斯拉 FSD 套在中國的售價高達 6.4 萬元。“特斯拉的業(yè)務(wù)布局將會變得和蘋果越來越像，未來，特斯拉可能會變成一個服務(wù)商，不單靠賣汽車硬件，更多的是通過軟件服務(wù)實現(xiàn)盈利。”

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

（編輯/小文）