[汽車之家 冷科技] 鈷礦場(chǎng)，一個(gè)十歲的孩子在雨中吃力的敲擊著一個(gè)大石塊，我們分不清哪些是雨水，哪些是他的汗水。這一幕并不是電影鏡頭，而是在剛果（金）礦區(qū)實(shí)實(shí)在在發(fā)生的一幕。作為世界上銅和鈷礦最豐富的地區(qū)之一，剛果（金）坐擁巨大財(cái)富，但貧困狀況卻觸目驚心，根據(jù)NGO和聯(lián)合國兒童基金會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，僅剛果（金）一個(gè)鈷礦區(qū)的童工數(shù)量就達(dá)到4萬人，不同礦區(qū)有接近三分之一的工人屬于童工……
為什么近些年我們對(duì)鈷的需求量急劇暴漲？這背后到底存在哪些問題？本期《冷科技》我們就來看看鈷和它背后的故事。
特斯拉銷量卡脖子，竟然和鈷有關(guān)系？
特斯拉作為新勢(shì)力造車的領(lǐng)頭羊，十分注重“自主”領(lǐng)域，從早期的的電控系統(tǒng)、電機(jī)、駕駛輔助系統(tǒng)再到現(xiàn)在的自動(dòng)駕駛處理單元，特斯拉做到了從系統(tǒng)到芯片的全方位掌控，唯獨(dú)有一個(gè)項(xiàng)目是特斯拉在現(xiàn)階段無法完全掌控的，那就是電池。
特斯拉曾經(jīng)花費(fèi)大量精力去聘請(qǐng)供應(yīng)鏈專家，同時(shí)跟全球的礦主進(jìn)行協(xié)商，以此滿足自身對(duì)電池方面的需求。但從實(shí)際情況來看，鋰電池中所含的不同礦物元素由于其特殊性，導(dǎo)致最終的采購情況并不樂觀，其中最大的問題的出現(xiàn)在鈷礦和鎳上面。
鈷——鋰電池的“定心丸”
現(xiàn)階段，電動(dòng)車電池雖然被稱為鋰離子電池，但其實(shí)內(nèi)有乾坤。比如說新能源汽車使用的鋰電池全稱叫做三元鋰電池，而三元鋰電池又可以按照元素比例不同分為523/811（NCM）等型號(hào)，但是不管如何改變?cè)乇壤牧现饕€是這兩個(gè)類型：NCM和NCA也就是鎳、鈷、鎂和鎳、鈷、鋁。
| 單位噸電池材料所需金屬單耗匯總 | |||||
| 元素 | 鋰（kg） | 鎳（kg） | 鈷（kg） | 錳 | |
| 三元材料 | NCM622 | 72 | 363 | 122 | 113 |
| NCM71515 | 72 | 423 | 91 | 85 | |
| NCM811 | 72 | 483 | 61 | 56 | |
| NCA | 72 | 489 | 92 | -- | |
| NCM90505 | 72 | 542 | 30 | 28 | |
| 磷酸鐵鋰 | LFP | 44 | -- | -- | -- |
從這里我們就能發(fā)現(xiàn)，無論是那種三元鋰電池，鈷元素和鎳是必不可少。其中鈷的作用在三元體系中尤為引人關(guān)注。
只有電池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了，所謂的自燃（當(dāng)然還有很多其他因素）等問題才能從根本上降低。所以總結(jié)一下，鈷目前在三元鋰電池中，最重要的作用就是穩(wěn)定電池，改善充電、放電性能。也是因?yàn)檫@種作用，讓鈷在三元體系中一直占據(jù)著重要的地位。
摒棄鈷，是道德還是利益？
既然鈷在整個(gè)三元體系中占據(jù)著如此重要的地位，為何我們要“棄鈷”呢？我想人權(quán)問題占了一定的因素。
我跟大家介紹一下三元材料占鋰電池的成本。根據(jù)金屬業(yè)、礦業(yè)的估算，一噸鈷酸鋰中，鋰的含量有0.07噸，而鈷的含量是0.61噸。但是，鈷在地殼中的含量?jī)H有鋰的六分之一，開采量更少，僅有鋰礦的一半，更不用說類似剛果（金）這樣的主要產(chǎn)區(qū)還將其列為國家戰(zhàn)略資源，其開采成本上升迅速，而且受制于人。所以，目前鈷礦成本越來越夸張，量少價(jià)高，這是放棄鈷的一個(gè)重要因素。
無鈷電池出現(xiàn)，最終花落誰家？
鈷目前存在的種種問題，促使著各個(gè)車企、供應(yīng)商們?nèi)で蟾玫慕鉀Q方案，而這些方案的本質(zhì)就是降低電池的使用成本，同時(shí)保證產(chǎn)品的供應(yīng)不被制約，以當(dāng)下的技術(shù)水準(zhǔn)，科研界有幾種不同的聲音，有物理層面也有化學(xué)層面，有全新的三元體系也有依然保留鈷的超低鈷模式，可謂是百家爭(zhēng)鳴……
1）磷酸鐵鋰路線
我們先來看看完全沒有鈷元素的方案（非三元體系），其實(shí)新能源汽車還未使用三元鋰電池之前，就存在著無鈷電池方案，這就是磷酸鐵鋰電池。
磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。它的優(yōu)勢(shì)很明顯，就是安全性能較高，從化學(xué)層面來說，磷酸鐵鋰中的磷酸鐵鋰晶體P-O鍵非常穩(wěn)固，難以分解，因此表現(xiàn)出的化學(xué)特性就是在高溫下不會(huì)崩塌，也就是不容易燃燒，因此使用的安全性較高。
缺點(diǎn)也很明顯，能量密度低，同樣的電動(dòng)車布置空間，三元鋰電池的續(xù)航里程會(huì)比磷酸鐵鋰電池要高，畢竟三元鋰電池的能量密度要高于磷酸鐵鋰電池，從數(shù)值上說，磷酸鐵鋰電池的能量密度基本可以達(dá)到120Wh/kg（2017年-2018年工信部數(shù)據(jù)），而三元鋰電已經(jīng)在140Wh/kg左右（同樣工信部2018年數(shù)據(jù)），這也是為什么現(xiàn)階段三元鋰電池成為純電乘用車的主流。
除此之前，寧德時(shí)代還將電池包的研究和磷酸鐵鋰相結(jié)合。通過改變空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來提升電池包整體性能的提升，這就是CTP。
除了寧德時(shí)代之外，最近大熱的比亞迪刀片電池本質(zhì)上也是屬于這種CTP設(shè)計(jì)，同時(shí)電池也采用了新一代磷酸鐵鋰，在這些技術(shù)加持下，比亞迪漢的NEDC純電續(xù)航里程能達(dá)到605km，這和三元鋰電池相比也不相上下。
2）高鎳低鈷路線
三元材料電池體系發(fā)展了這么多年，想要將鈷一步去除顯然不夠?qū)嶋H，而且完全去除鈷會(huì)存在對(duì)電池穩(wěn)定性的影響，即使有手段也無法馬上量產(chǎn)，所以科學(xué)家們認(rèn)為在過渡時(shí)期，是否可以降低鈷的占比來維持電池更好的發(fā)展。有趣的是，研究的結(jié)果讓人興奮，無論是現(xiàn)在的NCA還是NCM都可以通過調(diào)整占比的方式對(duì)鈷含量進(jìn)行調(diào)整。
當(dāng)然，這種高鎳方案也存在很多不確定性，比如低鈷能不能保證電池穩(wěn)定性，目前在科學(xué)界并沒有十分統(tǒng)一的定論，這依然屬于十分前沿的科技問題。
3）用其他元素代替鈷
最后一種路線就是完全剔除鈷，或者說用新的元素去替代。上星期，蜂巢能源展示了自己的無鈷電池。
它的作用說復(fù)雜也很復(fù)雜，說簡(jiǎn)單也很簡(jiǎn)單，就是采用兩種化學(xué)鍵能更強(qiáng)大的元素替代鈷，摻雜到材料中。通過強(qiáng)化學(xué)鍵穩(wěn)定氧八面體結(jié)構(gòu)，減少鋰鎳混排，改善材料穩(wěn)定性，本質(zhì)上就是代替了鈷在三元材料中的作用。
目前蜂巢能源已經(jīng)發(fā)布了相關(guān)的產(chǎn)品被命名為L6薄片無鈷長芯電池，能量密度在240Wh/kg，量產(chǎn)大概在2021年下半年。
IBM也有類似的研究，他們主要和奔馳進(jìn)行合作，從海水中提取三種材料，以此擺脫對(duì)鈷等重金屬的依賴，不過具體的元素種類和制造方法，IBM都沒有透露，不過按照進(jìn)度他們會(huì)在今年發(fā)布他們的新電池工作模型。
除此之外，類似松下、LG都有無鈷電池的研究，但無鈷電池確實(shí)不是一件簡(jiǎn)單的事，因此就目前來看，這種絕對(duì)的無鈷電池在技術(shù)方面是否真的穩(wěn)定，我們依然要打個(gè)問號(hào)，也許等明年蜂巢能源的無鈷電池量產(chǎn)后，我們能找到真正的答案。
編輯點(diǎn)評(píng)：電池作為電動(dòng)車最重要的部分之一，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有我們看到的那么簡(jiǎn)單，它的背后有大國之間的博弈也有技術(shù)之間的對(duì)抗。現(xiàn)階段，三元鋰電池依然占據(jù)主流，磷酸鐵鋰電池在落后一段時(shí)間后，從結(jié)構(gòu)端得到了突破，處于奮力追趕的第二梯隊(duì)，而更對(duì)資源要求更低的無鈷電池則屬于初生的太陽，最快在明年進(jìn)行量產(chǎn)，未來將會(huì)是無鈷電池一家獨(dú)大，還是三種電池成鼎立之勢(shì)呢？我們拭目以待。（汽車之家 圖文 冷曉陽）