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bet3体育在线,手拉手打破钴和锂电池

如果没有钴,锂电池可能无法在生活的每个阶段都很快使用。
但是,由于钴的存在,三元锂电池在电动汽车中的广泛使用遇到了障碍。对于锂电池的这种“继承人”,电池行业一直在寻找“逃脱”并隐藏其名称和名称的方法。“最近终于有了突破。
9月28日,在北京国际汽车展期间,蜂窝能源公司发布了有关规划无钴电池产品的会议。该公司宣布将于2021年6月大规模生产无钴电池,这意味着人类将能够以高技术含量的能源材料制成的电池,以技术方式体验消除钴的局限性。
结果,高比能量电池具有进一步降低成本的空间,同时进一步提高了能量密度,从而为普通百姓的家庭带来了更持久,更经济的电动汽车。
钴的首次出现和离开,标志着人类驯服锂电池历史上的重要篇章。
钴制造锂电池
打开元素周期表,左上角是氢,然后是锂。
锂在元素中具有这样的位置,并且其性质相关。
锂的原子量为6.94,是金属中最轻的。锂的标准电极电势为-3.045 V,在金属中最低,此外,锂的比容量也在金属中最高,而锂的电化学当量最小。上述四个特性赋予锂作为具有高能量密度的储能元件的固有优点。
金属锂在20世纪中晚期用于电池负极,由于诸如充电过程中产生的锂树枝状结晶之类的问题,在大规模技术应用中尝试直接在负极中使用金属锂的尝试惨败。
树枝状晶体穿透膜层,引起短路和火花爆炸的示意图
锂电池的发展需要一种破坏性的解决方案,化学家们努力工作并找到了一种方法:使用含锂离子的化合物作为正电极而不是金属锂作为负电极,不仅可以提供足够的电力,而且还可以保持充放电过程中材料结构稳定。
那是什么样的联系?
2019年诺贝尔化学奖得主John B.Goodenough做出了一个关键发现:含钴材料是最好,最稳定的。
这种材料是钴酸锂,它具有最大真实密度(5.1 g / cm3)和压缩密度(?4.3 g / cm3),这使其在对电池体积有严格要求的电池应用领域具有独特优势。
他在1980年宣布了这种新的高能量密度(正极)阴极材料-钴酸锂。
牛津大学于当年在Goodenough实验室前竖起了一块牌匾,以纪念发现钴酸锂作为可再充电电池的正极。资料来源:维基百科
来自世界各地的日本化学家(也获得了2019年诺贝尔化学奖)吉野彰(Akira Yoshino)完成了锂钴氧化物电池的最后一道谜题:使用聚乙炔材料(后来转换为碳材料)作为负极(负极电极)锂离子电池。这种设计完全去除了金属锂并提高了电池安全性。该技术范例确立了锂离子电池的基本概念。
1991年,索尼将其商业化,此后,钴酸锂电池已正式用于各种应用中。
钴:难以忍受
如果仅将锂钴氧化物电池用于消费电子产品,则锂离子电池中总会存在约钴。由于消费电子电池的消耗量相对较低,因此其成本敏感性远不如汽车。
但是,在特斯拉成功地将钴酸锂电池应用于全电动汽车之后,钴的问题增加了。
资源稀缺,昂贵并且过载时的安全性能很差。
钴酸锂中的钴含量约为60.2%,换句话说,在一吨钴酸锂中,锂含量仅为0.07吨,但钴含量必须达到0.61吨,是锂含量的八倍以上。但是,地壳中的钴含量仅为锂的六分之一,每年的钴开采量仅为锂矿量的一半。世界钴产量的60%来自刚果民主共和国,刚果民主共和国政权不稳定。该国在2016年和2017年分别生产了66,000吨和64,000吨钴;中国是产量第二大国,2016年的产量仅为7700吨。
钴矿物
低产量意味着良好的控制,价格大幅度上涨或下跌。
2017年,伦敦金属交易所的钴价升至每吨75,000美元,年内涨幅超过130%.2018年2月2日,钴价突破80,000美元的整数关口,并创下历史新高。3月21日达到每吨95,000美元的10年新高。
此外,钴开采还涉及童工和手工开采问题。
锂钴氧化物正极材料的突破再次提高了业界对锂离子电池的期望,科学家们仍在寻找更好的正极材料以进一步改善电池性能,但他们的尝试未能消除钴。
在1997年至2000年之间,日本和美国公司相继发明了三元镍钴铝或镍钴锰材料,挑战了钴酸锂作为正极材料。
但是,三元材料的实际商业化是杰夫·戴恩(Jeff Dahn,现与特斯拉合作)。2001年,加拿大达尔豪斯大学物理学教授,加拿大3M集团首席科学家Jeff Dahn发明了可以大规模商业化的三元镍钴锰复合阴极材料,这打破了市场的最后一步。
尽管Goodenough的团队和其他化学家还指出了磷酸铁锂,锰酸锂和钛酸锂等材料的工程路线,但含钴三元电池仍是高比能量电池的主流。
目前,三元材料已成为电动汽车领域的主要工程路线,高镍低钴的趋势已十分明显。镍-钴-锰三元材料中的钴含量分别降至111/523/622/811的四个比率,分别降至21.3%,12.2%,12%和6%。
我们可以再走一步,彻底去除钴吗?
杜绝钴
松下和特斯拉率先发表了“无钴”声明。
松下在2018年宣布将开发用于电动汽车的无钴电池。
对于一直使用松下电池的特斯拉,其首席执行官马斯克还表示,特斯拉Model 3电池中的钴含量已降至不足3%。他们将不断改进技术,并努力使钴完全放弃下一代电池。
CATL还表示已保留了无钴电池技术。
要获得无钴,必须解决三个问题:一个是Li / Ni混合放电,另一个是循环性能差,第三,电解质在高压平台下被氧化分解。不销售无钴电池的公司会受到严重影响。
但是,这些公司已被禁止使用新的电池电源。
诞生于长城汽车公司(Great Wall Motors)的Honeycomb Energy于2019年率先推出无钴电池,它添加了基于镍酸锂的锰以制成镍锰电池。
资料来源:蜂窝能源
蜂窝主要通过以下三种技术解决上述问题:阳离子掺杂技术,单晶技术和基于纳米网络的涂覆技术。所谓的阳离子掺杂技术是指利用具有高氧化结合能的阳离子掺杂到晶体结构中。增加材料的上限电压。蜂窝能源总裁杨宏新表示,它们是具有较强化学键的两种元素,用于取代钴并将其掺杂到材料中。通过强大的化学结构和稳定的八面体氧结构,减少Li / Ni的混合,大大提高了锂的稳定性它们在4.3至4.35 V的电压下稳定工作。能量密度比磷酸锂铁高40%。
第二项关键技术是单晶技术。电池必须经过高强度极靴轧制的关键过程,用于在很小的空间内添加更多的活性材料,因此必须追求更高的压缩密度。当前,电池公司正在使用更多的多晶材料。多晶材料颗粒在轧制过程中明显断裂,这直接导致正极与电解质发生反应并产生大量气体,从而加速电池寿命的恶化并导致安全问题。该材料的一部分也崩溃,锂离子不能移动,从而导致使用寿命快速衰减。单晶材料具有更强的颗粒强度和更稳定的结构,与多晶材料相比,其抗压强度可以提高十倍,从而可以有效地提高电池的能量密度,同时,单晶材料也不容易崩溃和电池寿命可能比多晶材料更长。三元镍电池长70%。
黑色技术的第三项技术-纳米网络涂层技术,在无钴材料的合成中,Honeycomb Energy使用了纳米网络涂层技术,该技术在单晶表面上包含一层纳米氧化物,这可以减少正极材料与电解质的副反应。这项技术有效地改善了高压材料的循环性能。
蜂窝两节无钴电池
根据Honeycomb的计划,第一个无钴产品是基于590个模块的电池设计,容量为115 Ah,能量密度为245 Wh / kg,可以安装在大多数新型全电平台上。轻薄,无钴的L6长电池组容量为226 Ah,并于9月推出,可在2021年下半年达到880公里的续航里程,并实现批量生产。
在北京车展期间,Honeycomb Energy继续制定其无钴产品计划。
据杨宏新介绍,Honeycomb的无钴电池分为E和H平台,目前正在计划四种产品,即容量为90 Ah的VDA1.5x(尺寸为39x148x102.5mm),无钴电池和带有VHD2x的电池。容量为115 Ah。(尺寸为52x148x112mm)无钴电池,容量为115Ah的MEB1.5x(尺寸为33.4x220x102.5mm)无钴电池和容量为226Ah的L6(尺寸为21.5x574x118mm)无钴电池。
资料来源:蜂窝能源
在E平台和H平台上生产的无钴电池在材料技术上有所不同。其中,E平台电池材料主要使用高浓度阳离子掺杂和纳米网络涂层,控制微粒大小和优化锂插入路径,到2021年容量将达到160 mAh / g,并且可以增加到170 mAh2023年/克; H平台电池核心材料主要采用纳米网络涂层技术,单晶技术和阳离子掺杂的八面体氧结构,到2020年容量将达到180 mAh / g,到2022年将达到185 mAh / g。
Honeycomb Energy的H-Platform和E-Platform生产的无钴电池适用于不同的汽车定位市场,涵盖了从300到800公里的所有型号。。并支持所有类别的终身保修。
当前,无钴电池已由Honeycomb Energy安装和测试。很快,无钴电池将安装在串联电动汽车中。具有高比能量的电池最终不含钴。
自从Goodenough团队将钴引入锂电池以来,无钴电池诞生已有40年了。
40年后的今天,以中国为首的电动汽车普及浪潮已蔓延到欧洲,并趋向世界。
然而,当仔细研究电动汽车和传统燃料汽车时,电动汽车的普及至少存在两个主要障碍。第一个是实际电池寿命,即要考虑冬天的电池寿命,热空气调节,高速和其他情况,以保持持续改进,第二个是保持成本降低。
前者由于不能在短时间内显着提高电驱动器的效率,因此需要更多的电池来实现此目的,但由于这个原因不能增加电池的重量。换句话说,动力电池需要不断增加能量密度。允许现有型号装载更多电池并延长电池寿命。事实证明,内部电池探索的高度特定的能量方向仍然存在。
在大规模生产的情况下,后者无限接近材料成本。只有去除材料中最昂贵的钴,才能充分降低动力电池的成本。无钴电池解决方案在锂离子电池的性能和降低成本之间取得了巨大的平衡,并为电动汽车的发展开辟了障碍。
中国最初在普及电动汽车方面起着领导作用。无钴电池的首次商业应用也帮助中国不断发展电动汽车。
展望未来,无钴电池的历史可能会比其前辈(锂钴氧化物和镍钴锰电池)的历史更加令人振奋。