冷科技 电动车的进化竟然还跟童工有关?
[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。
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。
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。
| 单位吨电池材料所需金属单耗汇总 | |||||
| 元素 | 锂（kg） | 镍（kg） | 钴（kg） | 锰 | |
| 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 | |
| 磷酸铁锂 | LFP | 44 | -- | -- | -- |
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）
