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“無鈷電池”的中場戰(zhàn)事

時間:2021-12-24 10:35來源:芯鋰話 作者:芯鋰君
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1753年,瑞典化學(xué)家格布蘭特從輝鈷礦中分離出一種帶有淺玫色的灰色金屬,與當(dāng)時所有認(rèn)知中的金屬均不相同,后來人們發(fā)現(xiàn)這種金屬正是高純度的金屬鈷。

 
鈷在被發(fā)現(xiàn)初期,并沒有立刻引起人們的關(guān)注,反而因為它具有毒性,而一度被人們敬而遠(yuǎn)之。然而,隨著科學(xué)的進(jìn)步,科學(xué)家們逐漸發(fā)現(xiàn),鈷十分適合應(yīng)用于電池之中,現(xiàn)如今越來越多的產(chǎn)品都需要這種金屬。
 
縱觀全球市場,鈷礦資源分布極為不平衡,鈷的產(chǎn)量主要依賴于幾大核心礦產(chǎn)公司,這就導(dǎo)致鈷的價格很容易受到供需影響。
 
2018年,鈷價就經(jīng)歷了一次過山車。
 
由于鈷價長期處于低位,因此全球最大鈷礦公司嘉能可在2015年8月宣布關(guān)閉位于剛果(金)的兩處礦山,導(dǎo)致鈷的供給減少近20%。恰時又適逢新能源汽車崛起,作為三元動力電池的核心元素,鈷價伴隨新能源汽車的放量而迅速攀升,一度達(dá)到68.5萬元的歷史高位。
 
由于價格上漲,嘉能可重新在2018年擴產(chǎn)鈷,當(dāng)年產(chǎn)量同比增長54%,從而導(dǎo)致鈷的供需轉(zhuǎn)為過剩。在鈷價上漲過程中,大量中間企業(yè)擇機囤貨,這一方面造成了鈷價的快速上漲,另一方面也造成了鈷價的快速下跌,最低時每噸均價僅為22.3萬元。
 

 
在此之后,伴隨著全球新冠疫情的爆發(fā),以及新能源汽車市場的崛起,鈷庫存迅速消化,價格逐漸抬升,走出底部。
 
聚焦今年,鈷價再次暴動。年初的時候,鈷每噸均價尚處于28萬元左右,而到了12月,每噸均價已經(jīng)高達(dá)49萬元左右。一年時間,鈷價暴漲75%。
 
在庫存金屬鈷基本消化完畢的當(dāng)下,疊加全球鈷主要產(chǎn)地剛果(金)局勢持續(xù)動蕩,近三分之二中資采礦企業(yè)受到影響;另一方面,在全球鈷礦關(guān)鍵轉(zhuǎn)運中心南非,奧密克戎變異毒株再度肆虐,鈷礦物流出現(xiàn)交貨延遲。
 
二者綜合,導(dǎo)致鈷價長時間的持續(xù)上漲,并仍有進(jìn)一步漲價的可能。
 
暴漲暴跌的鈷價,始終是電池企業(yè)和整車廠心中難以消解的痛。迫于漲價壓力,整車廠聯(lián)合電池廠商不斷削減三元鋰電材料中鈷的用量,但這種方案治標(biāo)不治本。
 
在鈷價一路上漲的當(dāng)下,“無鈷”會成為鋰電池行業(yè)未來數(shù)年的發(fā)展趨勢嗎?誰又是“無鈷”先行者呢?

 

01

鈷,生來昂貴

 

以上海有色網(wǎng)12月21日現(xiàn)貨價格計算,在三元前驅(qū)體直接原材料中,硫酸鈷(≥20.5%國產(chǎn))每噸均價高達(dá)9.925萬元,電池級硫酸鎳每噸均價3.475萬元,電池級硫酸錳每噸均價僅約1萬元。

 

不難看出,硫酸鈷價格是其他兩種材料的數(shù)倍,也正因此,鈷的價格對三元電池的成本影響極大。

 

市場經(jīng)濟之下,產(chǎn)品的價格取決于供給和需求,而鈷的高昂售價和大幅波動,也正是兩者疊加的結(jié)果。

 

供給端,鈷本身是一種極為稀缺的金屬。根據(jù)美國地址勘探局(USGS)數(shù)據(jù)顯示,2020年探明鈷礦儲量僅710萬噸。如果按照2020年開采量進(jìn)行估算,全球現(xiàn)有鈷礦可開采年限約為50年。

 

更為重要的是,全球鈷礦儲量和產(chǎn)地都十分集中。僅剛果(金)一個國家就占據(jù)了全球鈷礦儲量的50.70%,此外澳大利亞鈷資源儲量占比約19.72%,古巴占比約7.04%,三個國家占據(jù)全球鈷礦近8成的儲量。

 

產(chǎn)量方面,這種不均衡表現(xiàn)更為顯著。在2020年全球14萬噸的總產(chǎn)量中,剛果(金)產(chǎn)量即高達(dá)9.5萬噸,占全球產(chǎn)量的7成。在全球鈷礦企業(yè)中,嘉能可是絕對的巨頭,2020年產(chǎn)鈷2.7萬噸,約占全球總產(chǎn)量的21.6%。

 

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剛果(金)之外,南非是全球鈷供應(yīng)鏈又一個關(guān)鍵節(jié)點。從剛果(金)產(chǎn)出的鈷礦,主要通過公路運輸至南非的德班港,之后運至全球貨物目的地,也正因此,南非成為全球鈷礦的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運中心。

 

產(chǎn)能集中,運輸路線集中,這就導(dǎo)致全球鈷礦供應(yīng)鏈剛性極強。一旦出現(xiàn)突發(fā)事件,鈷供應(yīng)馬上會受到影響,進(jìn)而導(dǎo)致鈷價暴漲。

 

另一方面的應(yīng)用端,鈷的場景十分廣泛,但大規(guī)模的需求卻集中于幾個大的下游市場。鈷最早的應(yīng)用領(lǐng)域是染色劑;到了20世紀(jì),鈷最大的應(yīng)用市場是高溫合金,對應(yīng)的下游是航空業(yè),鈷礦應(yīng)用規(guī)模尚小。

 

進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著鈷在化學(xué)應(yīng)用,尤其是電池材料上的需求快速攀升,電池行業(yè)用量超過高溫合金行業(yè),成為鈷的最大的消費終端行業(yè)。在2020年全球鈷消費結(jié)構(gòu)中,電池行業(yè)應(yīng)用占比高達(dá)68.80%。在我國,由于3C制造業(yè)和鋰電池產(chǎn)業(yè)向中國轉(zhuǎn)移,電池行業(yè)占我國鈷消費的8成以上。

 

近年來,新能源汽車的崛起,動力電池成為鈷的新增量需求。據(jù)安泰科預(yù)計,2021年全球鈷消費結(jié)構(gòu)中,3C鋰電占比36%,動力電池將占比31%。

 

長期來看,3C鋰電和動力電池都是規(guī)模龐大且穩(wěn)定高速增長的市場。在全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢下,市場對鈷的需求十分剛性。在供應(yīng)鏈剛性和需求剛性綜合影響的市場格局下,鈷的價格自然居高不下,且波動極大。

 

02 

三元電池不可或缺的穩(wěn)定劑

 

供需趨緊決定了鈷價必不便宜,而剛性供應(yīng)鏈決定了某些時候鈷價將更加高昂。出于商業(yè)考量,近年來三元電池材料“無鈷”的呼聲越來越高。

 

自商業(yè)應(yīng)用以來,能量密度、安全性、成本形成了現(xiàn)階段動力電池發(fā)展的“不可能三角”。

 

目前來看,鋰離子電池主要的正極材料包括三元材料(包括鎳鈷錳 NCM和鎳鈷鋁 NCA)、磷酸鐵鋰(LFP)、鈷酸鋰(LCO)和錳酸鋰 (LMO)。其中鈷酸鋰體積能量密度高,在3C消費品中是當(dāng)仁不讓的霸主。在動力電池領(lǐng)域,目前主要包括兩種,三元材料和磷酸鐵鋰。

 

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磷酸鐵鋰成本低,安全性好,循環(huán)壽命好,但能量密度低,低溫性能不好;而三元材料能量密度更高,高低溫性能好,但成本較高�?梢哉f,兩種電池材料都不完美。

 

于是便出現(xiàn)了兩條改進(jìn)路線:一是提升磷酸鐵鋰電池的能量密度,如比亞迪刀片電池,在電芯設(shè)計、電池包結(jié)構(gòu)等層面進(jìn)行優(yōu)化,比一般鐵鋰電池能量密度提升50%。另一條路線則是降低三元電池的成本,于是“無鈷”就應(yīng)運而生。

 

但實際上,在三元材料研究中,“無鈷”從來不是一個新鮮的概念。在鋰電池的發(fā)展過程中,一眾研究人員已經(jīng)對正極材料的各種組合進(jìn)行過無數(shù)次的實驗,三元正極中“鈷”的引入和剔除以及相應(yīng)變化對動力電池屬性的影響,自然也是經(jīng)驗證的課題。

 

結(jié)果呢?三元成為商業(yè)化最為成熟的動力電池材料之一。鈷沒有被剔除,自然有其不得不保留的原因。

 

實際上,在鎳鈷錳三元材料中,鈷的作用不容忽視。在三元材料動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)上,鈷的存在具有極大的增益效果。一般來說,鈷的作用在于可以穩(wěn)定三元材料的層狀結(jié)構(gòu),提高材料的循環(huán)和倍率性能。同時鈷的存在,一定程度上可以抑制高鎳帶來的鋰鎳混排問題。

 

但最為關(guān)鍵的是,鈷對于三元正極材料的熱穩(wěn)定性起到了具有主導(dǎo)性的作用。

 

近年來,為提升動力電池能量密度,鎳的占比不斷提升。但與此同時,熱穩(wěn)定性成為了三元動力電池的最大短板。

 

實驗數(shù)據(jù)顯示,在三元電池放電中,鈷由于獨特的化學(xué)特性能夠先于Ni元素發(fā)生還原而占據(jù)四面體位置,從而延緩了鎳元素的遷移,進(jìn)而推遲釋氧放熱反應(yīng),提高三元電池的熱穩(wěn)定性。

 

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從目前公開資料來看,NCM811和NCA兩種含鈷較低的動力電池,能量密度提升顯著,但在安全余量上略低于NCM523和NCM622。

 

也正因此,在NCM811電池和NCA電池使用時,整車企業(yè)往往配合其他的動力電池技術(shù)提高安全性,如廣汽集團(tuán)的彈匣電池,以及特斯拉的圓柱電池等等。

 

總而言之,動力電池是一個系統(tǒng)性的工程,牽一發(fā)而動全身。目前來看,在保證三元電池綜合效能上,鈷仍然不可或缺。


03

誰先“拋棄”了鈷?

 

在三元材料體系內(nèi),目前達(dá)成的共識是,一方面通過高鎳實現(xiàn)更高的能量密度,另一方面通過減少鈷的用量來降低總體成本。

 

于是我們可以看到,三元正極材料正加速從 NCM523、622 等中鎳向 NCM811、NCA 等高鎳化方向加速滲透。根據(jù) SMM 統(tǒng)計,NCM811 在三元正極材料中的占比從2018年1月的 1%提升至2021年9月的 38%。在這個過程中,電動汽車鈷用量逐漸減少。

 

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以特斯拉為例,特斯拉最早的電動跑車Roadster,使用的是更昂貴的鈷酸鋰,而到Model 3的NCA體系,鈷的使用量減少了60%。據(jù)特斯拉透露,在2012年特斯拉的鈷使用量為平均每輛車11千克,2018年這一數(shù)字已經(jīng)減少到了4.5千克。

 

鈷用量不斷減少,但仍然存在,真正意義上的“無鈷”電池,尚未出現(xiàn)。

 

需要注意的是,鋰電池行業(yè)追求的“無鈷”電池,是在保有三元體系高能量密度特性的同時,實現(xiàn)高安全性和低成本,形成一種更完美的動力電池解決方案,而并非其他不含鈷材料如磷酸鐵鋰等。

 

實際上,真正的三元體系“無鈷”電池,目前僅處于“技術(shù)儲備”層面,尚未成為全行業(yè)的重點布局方向,但仍有多個企業(yè)在無鈷方向探索,長城汽車旗下蜂巢能源即是先鋒之一。

 

蜂巢能源最早從2018 年就開始投入研發(fā)無鈷電池,并在2020年9月發(fā)布無鈷電池兩大產(chǎn)品平臺,并在當(dāng)年12月接受全球預(yù)訂;如今其首款無鈷電池產(chǎn)品已經(jīng)能夠量產(chǎn)下線。

 

在今年的第二十四屆成都國際車展上,首款搭載蜂巢能源無鈷電池包的量產(chǎn)車型長城歐拉櫻桃貓正式亮相,雖然櫻桃貓搭載的無鈷電池包的系統(tǒng)密度并不高,系統(tǒng)能量密度僅為170Wh/kg,但它卻標(biāo)志著動力電池行業(yè)正式進(jìn)入無鈷時代。

 

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此外,關(guān)于無鈷電池的后續(xù)產(chǎn)品規(guī)劃,蜂巢能源董事長兼CEO楊紅新表示,蜂巢能源無鈷電池目前共規(guī)劃四款量產(chǎn)產(chǎn)品,分別是無鈷H系列115Ah電芯,155Ah電芯,H Plus系列157Ah電芯,和無鈷E系列115Ah電芯,覆蓋全部車型超長里程。其中無鈷H系列115A電芯和155Ah電芯能量密度為240Wh/kg,115Ah產(chǎn)品已經(jīng)率先實現(xiàn)量產(chǎn)裝車。

 

12月16日,蜂巢能源宣布首條無鈷電池量產(chǎn)線在安徽省馬鞍山經(jīng)開區(qū)蜂巢動力鋰離子電池項目基地投用,無鈷電池和HEV電池開始量產(chǎn)下線。

 

除蜂巢宣布量產(chǎn)外,其他廠商對于無鈷方向多止于技術(shù)層面。如近日寧德時代在投資者關(guān)系平臺上回復(fù),其對于無鈷電池、全固態(tài)電池、無稀有金屬電池等下一代電池和行業(yè)內(nèi)的新興技術(shù),始終保持高度關(guān)注并開展技術(shù)布局。

 

根本上說,動力電池的無鈷化是一個相當(dāng)宏大的課題。從基礎(chǔ)科學(xué)研究理解工作機理,再到實驗室進(jìn)行材料實驗,進(jìn)一步放大至商業(yè)化大生產(chǎn)階段,是一個漫長的過程。無鈷電池的商業(yè)化,必須要所有配套材料同步革新,這更是一個十分復(fù)雜、相當(dāng)緩慢的事情,目前來說,任重道遠(yuǎn)。

 

更完美的動力電池解決方案始終是一眾電池廠商追求的方向,“無鈷電池”上半場中,更早進(jìn)行“無鈷”布局的蜂巢能源無疑搶得先機。但隨著特斯拉和寧德時代等巨頭的入局,這場關(guān)乎動力電池材料效率和成本的戰(zhàn)爭遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到終結(jié)的時候。


(責(zé)任編輯:子蕊)
文章標(biāo)簽: 電池 無鈷電池
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