冷科技 电动车的进化竟然还跟童工有关?

  • 2020-06-01 02:38
  • 来源:
  • 作者:木木
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  [汽车之家 冷科技]  钴矿场,一个十岁的孩子在雨中吃力的敲击着一个大石块,我们分不清哪些是雨水,哪些是他的汗水。这一幕并不是电影镜头,而是在刚果(金)矿区实实在在发生的一幕。作为世界上铜和钴矿最丰富的地区之一,刚果(金)坐拥巨大财富,但贫困状况却触目惊心,根据NGO和联合国儿童基金会的数据显示,仅刚果(金)一个钴矿区的童工数量就达到4万人,不同矿区有接近三分之一的工人属于童工……

  为什么近些年我们对钴的需求量急剧暴涨?这背后到底存在哪些问题?本期《冷科技》我们就来看看钴和它背后的故事。

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特斯拉销量卡脖子,竟然和钴有关系?

  特斯拉作为新势力造车的领头羊,十分注重“自主”领域,从早期的的电控系统、电机、驾驶辅助系统再到现在的自动驾驶处理单元,特斯拉做到了从系统到芯片的全方位掌控,唯独有一个项目是特斯拉在现阶段无法完全掌控的,那就是电池。

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  特斯拉曾经花费大量精力去聘请供应链专家,同时跟全球的矿主进行协商,以此满足自身对电池方面的需求。但从实际情况来看,锂电池中所含的不同矿物元素由于其特殊性,导致最终的采购情况并不乐观,其中最大的问题的出现在钴矿和镍上面。

钴——锂电池的“定心丸”

  现阶段,电动车电池虽然被称为锂离子电池,但其实内有乾坤。比如说新能源汽车使用的锂电池全称叫做三元锂电池,而三元锂电池又可以按照元素比例不同分为523/811(NCM)等型号,但是不管如何改变元素比例,三元材料主要还是这两个类型:NCM和NCA也就是镍、钴、镁和镍、钴、铝。

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单位吨电池材料所需金属单耗汇总
 元素(kg)(kg)(kg)
三元材料NCM62272363122113
NCM71515724239185
NCM811724836156
NCA7248992--
NCM90505725423028
磷酸铁锂LFP44------

  从这里我们就能发现,无论是那种三元锂电池,钴元素和镍是必不可少。其中钴的作用在三元体系中尤为引人关注。

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  只有电池结构稳定了,所谓的自燃(当然还有很多其他因素)等问题才能从根本上降低。所以总结一下,钴目前在三元锂电池中,最重要的作用就是稳定电池,改善充电、放电性能。也是因为这种作用,让钴在三元体系中一直占据着重要的地位。

摒弃钴,是道德还是利益?

  既然钴在整个三元体系中占据着如此重要的地位,为何我们要“弃钴”呢?我想人权问题占了一定的因素。

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  我跟大家介绍一下三元材料占锂电池的成本。根据金属业、矿业的估算,一吨钴酸锂中,锂的含量有0.07吨,而钴的含量是0.61吨。但是,钴在地壳中的含量仅有锂的六分之一,开采量更少,仅有锂矿的一半,更不用说类似刚果(金)这样的主要产区还将其列为国家战略资源,其开采成本上升迅速,而且受制于人。所以,目前钴矿成本越来越夸张,量少价高,这是放弃钴的一个重要因素。

无钴电池出现,最终花落谁家?

  钴目前存在的种种问题,促使着各个车企、供应商们去寻求更好的解决方案,而这些方案的本质就是降低电池的使用成本,同时保证产品的供应不被制约,以当下的技术水准,科研界有几种不同的声音,有物理层面也有化学层面,有全新的三元体系也有依然保留钴的超低钴模式,可谓是百家争鸣……

1)磷酸铁锂路线

  我们先来看看完全没有钴元素的方案(非三元体系),其实新能源汽车还未使用三元锂电池之前,就存在着无钴电池方案,这就是磷酸铁锂电池。

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  磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。它的优势很明显,就是安全性能较高,从化学层面来说,磷酸铁锂中的磷酸铁锂晶体P-O键非常稳固,难以分解,因此表现出的化学特性就是在高温下不会崩塌,也就是不容易燃烧,因此使用的安全性较高。

  缺点也很明显,能量密度低,同样的电动车布置空间,三元锂电池的续航里程会比磷酸铁锂电池要高,毕竟三元锂电池的能量密度要高于磷酸铁锂电池,从数值上说,磷酸铁锂电池的能量密度基本可以达到120Wh/kg(2017年-2018年工信部数据),而三元锂电已经在140Wh/kg左右(同样工信部2018年数据),这也是为什么现阶段三元锂电池成为纯电乘用车的主流。

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  除此之前,宁德时代还将电池包的研究和磷酸铁锂相结合。通过改变空间结构的优化,来提升电池包整体性能的提升,这就是CTP。

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  除了宁德时代之外,最近大热的比亚迪刀片电池本质上也是属于这种CTP设计,同时电池也采用了新一代磷酸铁锂,在这些技术加持下,比亚迪汉的NEDC纯电续航里程能达到605km,这和三元锂电池相比也不相上下。

2)高镍低钴路线

  三元材料电池体系发展了这么多年,想要将钴一步去除显然不够实际,而且完全去除钴会存在对电池稳定性的影响,即使有手段也无法马上量产,所以科学家们认为在过渡时期,是否可以降低钴的占比来维持电池更好的发展。有趣的是,研究的结果让人兴奋,无论是现在的NCA还是NCM都可以通过调整占比的方式对钴含量进行调整。

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  当然,这种高镍方案也存在很多不确定性,比如低钴能不能保证电池稳定性,目前在科学界并没有十分统一的定论,这依然属于十分前沿的科技问题。

3)用其他元素代替钴

  最后一种路线就是完全剔除钴,或者说用新的元素去替代。上星期,蜂巢能源展示了自己的无钴电池。

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  它的作用说复杂也很复杂,说简单也很简单,就是采用两种化学键能更强大的元素替代钴,掺杂到材料中。通过强化学键稳定氧八面体结构,减少锂镍混排,改善材料稳定性,本质上就是代替了钴在三元材料中的作用。

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  目前蜂巢能源已经发布了相关的产品被命名为L6薄片无钴长芯电池,能量密度在240Wh/kg,量产大概在2021年下半年。

  IBM也有类似的研究,他们主要和奔驰进行合作,从海水中提取三种材料,以此摆脱对钴等重金属的依赖,不过具体的元素种类和制造方法,IBM都没有透露,不过按照进度他们会在今年发布他们的新电池工作模型。

  除此之外,类似松下、LG都有无钴电池的研究,但无钴电池确实不是一件简单的事,因此就目前来看,这种绝对的无钴电池在技术方面是否真的稳定,我们依然要打个问号,也许等明年蜂巢能源的无钴电池量产后,我们能找到真正的答案。

  编辑点评:电池作为电动车最重要的部分之一,远远没有我们看到的那么简单,它的背后有大国之间的博弈也有技术之间的对抗。现阶段,三元锂电池依然占据主流,磷酸铁锂电池在落后一段时间后,从结构端得到了突破,处于奋力追赶的第二梯队,而更对资源要求更低的无钴电池则属于初生的太阳,最快在明年进行量产,未来将会是无钴电池一家独大,还是三种电池成鼎立之势呢?我们拭目以待。(汽车之家 图文 冷晓阳)

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