“无钴电池”的中场战事
图片来源@视觉中国
文 | 芯锂话
1753年，瑞典化学家格布兰特从辉钴矿中分离出一种带有浅玫色的灰色金属，与当时所有认知中的金属均不相同，后来人们发现这种金属正是高纯度的金属钴。
钴在被发现初期，并没有立刻引起人们的关注，反而因为它具有毒性，而一度被人们敬而远之。然而，随着科学的进步，科学家们逐渐发现，钴十分适合应用于电池之中，现如今越来越多的产品都需要这种金属。
纵观全球市场，钴矿资源分布极为不平衡，钴的产量主要依赖于几大核心矿产公司，这就导致钴的价格很容易受到供需影响。
2018年，钴价就经历了一次过山车。
由于钴价长期处于低位，因此全球最大钴矿公司嘉能可在2015年8月宣布关闭位于刚果（金）的两处矿山，导致钴的供给减少近20%。恰时又适逢新能源汽车崛起，作为三元动力电池的核心元素，钴价伴随新能源汽车的放量而迅速攀升，一度达到68.5万元的历史高位。
由于价格上涨，嘉能可重新在2018年扩产钴，当年产量同比增长54%，从而导致钴的供需转为过剩。在钴价上涨过程中，大量中间企业择机囤货，这一方面造成了钴价的快速上涨，另一方面也造成了钴价的快速下跌，最低时每吨均价仅为22.3万元。
在此之后，伴随着全球新冠疫情的爆发，以及新能源汽车市场的崛起，钴库存迅速消化，价格逐渐抬升，走出底部。
聚焦今年，钴价再次暴动。年初的时候，钴每吨均价尚处于28万元左右，而到了12月，每吨均价已经高达49万元左右。一年时间，钴价暴涨75%。
在库存金属钴基本消化完毕的当下，叠加全球钴主要产地刚果（金）局势持续动荡，近三分之二中资采矿企业受到影响；另一方面，在全球钴矿关键转运中心南非，奥密克戎变异毒株再度肆虐，钴矿物流出现交货延迟。
二者综合，导致钴价长时间的持续上涨，并仍有进一步涨价的可能。
暴涨暴跌的钴价，始终是电池企业和整车厂心中难以消解的痛。迫于涨价压力，整车厂联合电池厂商不断削减三元锂电材料中钴的用量，但这种方案治标不治本。
在钴价一路上涨的当下，“无钴”会成为锂电池行业未来数年的发展趋势吗？谁又是“无钴”先行者呢？
01 钴，生来昂贵
以上海有色网12月21日现货价格计算，在三元前驱体直接原材料中，硫酸钴（≥20.5%国产）每吨均价高达9.925万元，电池级硫酸镍每吨均价3.475万元，电池级硫酸锰每吨均价仅约1万元。
不难看出，硫酸钴价格是其他两种材料的数倍，也正因此，钴的价格对三元电池的成本影响极大。
市场经济之下，产品的价格取决于供给和需求，而钴的高昂售价和大幅波动，也正是两者叠加的结果。
供给端，钴本身是一种极为稀缺的金属。根据美国地址勘探局（USGS）数据显示，2020年探明钴矿储量仅710万吨。如果按照2020年开采量进行估算，全球现有钴矿可开采年限约为50年。
更为重要的是，全球钴矿储量和产地都十分集中。仅刚果（金）一个国家就占据了全球钴矿储量的50.70%，此外澳大利亚钴资源储量占比约19.72%，古巴占比约7.04%，三个国家占据全球钴矿近8成的储量。
产量方面，这种不均衡表现更为显著。在2020年全球14万吨的总产量中，刚果（金）产量即高达9.5万吨，占全球产量的7成。在全球钴矿企业中，嘉能可是绝对的巨头，2020年产钴2.7万吨，约占全球总产量的21.6%。
刚果（金）之外，南非是全球钴供应链又一个关键节点。从刚果（金）产出的钴矿，主要通过公路运输至南非的德班港，之后运至全球货物目的地，也正因此，南非成为全球钴矿的关键转运中心。
产能集中，运输路线集中，这就导致全球钴矿供应链刚性极强。一旦出现突发事件，钴供应马上会受到影响，进而导致钴价暴涨。
另一方面的应用端，钴的场景十分广泛，但大规模的需求却集中于几个大的下游市场。钴最早的应用领域是染色剂；到了20世纪，钴最大的应用市场是高温合金，对应的下游是航空业，钴矿应用规模尚小。
进入21世纪后，随着钴在化学应用，尤其是电池材料上的需求快速攀升，电池行业用量超过高温合金行业，成为钴的最大的消费终端行业。在2020年全球钴消费结构中，电池行业应用占比高达68.80%。在我国，由于3C制造业和锂电池产业向中国转移，电池行业占我国钴消费的8成以上。
近年来，新能源汽车的崛起，动力电池成为钴的新增量需求。据安泰科预计，2021年全球钴消费结构中，3C锂电占比36%，动力电池将占比31%。
长期来看，3C锂电和动力电池都是规模庞大且稳定高速增长的市场。在全球产业发展大趋势下，市场对钴的需求十分刚性。在供应链刚性和需求刚性综合影响的市场格局下，钴的价格自然居高不下，且波动极大。
02 三元电池不可或缺的稳定剂
供需趋紧决定了钴价必不便宜，而刚性供应链决定了某些时候钴价将更加高昂。出于商业考量，近年来三元电池材料“无钴”的呼声越来越高。
自商业应用以来，能量密度、安全性、成本形成了现阶段动力电池发展的“不可能三角”。
目前来看，锂离子电池主要的正极材料包括三元材料（包括镍钴锰 NCM和镍钴铝 NCA）、磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）和锰酸锂 （LMO）。其中钴酸锂体积能量密度高，在3C消费品中是当仁不让的霸主。在动力电池领域，目前主要包括两种，三元材料和磷酸铁锂。
磷酸铁锂成本低，安全性好，循环寿命好，但能量密度低，低温性能不好；而三元材料能量密度更高，高低温性能好，但成本较高。可以说，两种电池材料都不完美。
于是便出现了两条改进路线：一是提升磷酸铁锂电池的能量密度，如比亚迪刀片电池，在电芯设计、电池包结构等层面进行优化，比一般铁锂电池能量密度提升50%。另一条路线则是降低三元电池的成本，于是“无钴”就应运而生。
但实际上，在三元材料研究中，“无钴”从来不是一个新鲜的概念。在锂电池的发展过程中，一众研究人员已经对正极材料的各种组合进行过无数次的实验，三元正极中“钴”的引入和剔除以及相应变化对动力电池属性的影响，自然也是经验证的课题。
结果呢？三元成为商业化最为成熟的动力电池材料之一。钴没有被剔除，自然有其不得不保留的原因。
实际上，在镍钴锰三元材料中，钴的作用不容忽视。在三元材料动力学性能和结构上，钴的存在具有极大的增益效果。一般来说，钴的作用在于可以稳定三元材料的层状结构，提高材料的循环和倍率性能。同时钴的存在，一定程度上可以抑制高镍带来的锂镍混排问题。
但最为关键的是，钴对于三元正极材料的热稳定性起到了具有主导性的作用。
近年来，为提升动力电池能量密度，镍的占比不断提升。但与此同时，热稳定性成为了三元动力电池的最大短板。
实验数据显示，在三元电池放电中，钴由于独特的化学特性能够先于Ni元素发生还原而占据四面体位置，从而延缓了镍元素的迁移，进而推迟释氧放热反应，提高三元电池的热稳定性。
从目前公开资料来看，NCM811和NCA两种含钴较低的动力电池，能量密度提升显著，但在安全余量上略低于NCM523和NCM622。
也正因此，在NCM811电池和NCA电池使用时，整车企业往往配合其他的动力电池技术提高安全性，如广汽集团的弹匣电池，以及特斯拉的圆柱电池等等。
总而言之，动力电池是一个系统性的工程，牵一发而动全身。目前来看，在保证三元电池综合效能上，钴仍然不可或缺。
03 谁先“抛弃”了钴？
在三元材料体系内，目前达成的共识是，一方面通过高镍实现更高的能量密度，另一方面通过减少钴的用量来降低总体成本。
于是我们可以看到，三元正极材料正加速从 NCM523、622 等中镍向 NCM811、NCA 等高镍化方向加速渗透。根据 SMM 统计，NCM811 在三元正极材料中的占比从2018年1月的 1%提升至2021年9月的 38%。在这个过程中，电动汽车钴用量逐渐减少。
以特斯拉为例，特斯拉最早的电动跑车Roadster，使用的是更昂贵的钴酸锂，而到Model 3的NCA体系，钴的使用量减少了60%。据特斯拉透露，在2012年特斯拉的钴使用量为平均每辆车11千克，2018年这一数字已经减少到了4.5千克。
钴用量不断减少，但仍然存在，真正意义上的“无钴”电池，尚未出现。
需要注意的是，锂电池行业追求的“无钴”电池，是在保有三元体系高能量密度特性的同时，实现高安全性和低成本，形成一种更完美的动力电池解决方案，而并非其他不含钴材料如磷酸铁锂等。
实际上，真正的三元体系“无钴”电池，目前仅处于“技术储备”层面，尚未成为全行业的重点布局方向，但仍有多个企业在无钴方向探索，长城汽车旗下蜂巢能源即是先锋之一。
蜂巢能源最早从2018 年就开始投入研发无钴电池，并在2020年9月发布无钴电池两大产品平台，并在当年12月接受全球预订；如今其首款无钴电池产品已经能够量产下线。
在今年的第二十四届成都国际车展上，首款搭载蜂巢能源无钴电池包的量产车型长城欧拉樱桃猫正式亮相，虽然樱桃猫搭载的无钴电池包的系统密度并不高，系统能量密度仅为170Wh/kg，但它却标志着动力电池行业正式进入无钴时代。
此外，关于无钴电池的后续产品规划，蜂巢能源董事长兼CEO杨红新表示，蜂巢能源无钴电池目前共规划四款量产产品，分别是无钴H系列115Ah电芯，155Ah电芯，H Plus系列157Ah电芯，和无钴E系列115Ah电芯，覆盖全部车型超长里程。其中无钴H系列115A电芯和155Ah电芯能量密度为240Wh/kg，115Ah产品已经率先实现量产装车。
12月16日，蜂巢能源宣布首条无钴电池量产线在安徽省马鞍山经开区蜂巢动力锂离子电池项目基地投用，无钴电池和HEV电池开始量产下线。
除蜂巢宣布量产外，其他厂商对于无钴方向多止于技术层面。如近日宁德时代在投资者关系平台上回复，其对于无钴电池、全固态电池、无稀有金属电池等下一代电池和行业内的新兴技术，始终保持高度关注并开展技术布局。
根本上说，动力电池的无钴化是一个相当宏大的课题。从基础科学研究理解工作机理，再到实验室进行材料实验，进一步放大至商业化大生产阶段，是一个漫长的过程。无钴电池的商业化，必须要所有配套材料同步革新，这更是一个十分复杂、相当缓慢的事情，目前来说，任重道远。
更完美的动力电池解决方案始终是一众电池厂商追求的方向，“无钴电池”上半场中，更早进行“无钴”布局的蜂巢能源无疑抢得先机。但随着特斯拉和宁德时代等巨头的入局，这场关乎动力电池材料效率和成本的战争远远没到终结的时候。
钴酸锂电池的优缺点和未来
钴酸锂电池在近年来有了非常显著的发展 。
这种电池以其高工作电压、大振实密度和良好的电化学性能而著称 ，主要用于3C领域，如手机、平板电脑和笔记本电脑。然而钴酸锂电池的优缺点也比较明显。
钴酸锂电池（LiCoO2）的优点：
高能量密度 ——钴酸锂电池具有很高的能量密度，这意味着在相同的质量或体积下，它们可以存储更多的电能 。这使得钴酸锂电池非常适合用于便携式电子设备，如智能手机、平板电脑和笔记本电脑。
良好的循环性能 ——钴酸锂电池在充放电循环中表现出良好的性能，能够保持较长的使用寿命。
较高的工作电压 ——钴酸锂电池的工作电压相对较高，通常在3.6至4.4伏之间 ，这有助于提供设备所需的电压。
放电效率高 ——钴酸锂电池的放电效率通常很高，可以达到90%以上， 这意味着在放电过程中能量损失较少。
低自放电率 ——钴酸锂电池的自放电率相对较低，即使在存储条件下，能较好地保持电量。
适用温度范围广 ——钴酸锂电池可以在较宽的温度范围内工作 ，虽然极端温度可能会影响其性能和寿命，但在正常使用条件下，它们能够适应多种环境。
成熟的制造工艺 ——钴酸锂电池的制造工艺相对成熟，生产成本逐渐降低 ，且市场供应稳定。
由于这些优点，钴酸锂电池在便携式电子设备市场中占据了重要地位。
钴酸锂电池虽然具有高能量密度和良好的电化学性能，但也存在一些缺点:
成本较高 ——钴是一种相对昂贵的金属，因此钴酸锂电池的成本较高 。这增加了产品成本，尤其是对于需要大量电池的设备，如电动汽车。
安全性问题 ——钴酸锂电池在过充、过放、高温或机械损伤等极端条件下存在安全隐患 ，可能导致热失控和电池损坏，甚至可能引起火灾或爆炸。
容量衰减 ——随着使用时间的增加，钴酸锂电池的容量会逐渐衰减， 尤其是在高温环境下或不当的使用条件下，这限制了电池的使用寿命。
资源依赖性 ——钴是一种有限的自然资源 ，大部分钴矿资源集中在少数几个国家，这使得供应链面临地缘政治风险。
能量密度接近极限 ——钴酸锂电池的能量密度已接近理论极限，进一步提高的空间有限 。
温度敏感性 ——钴酸锂电池的性能对温度变化较为敏感，极端温度（过高或过低）都可能影响电池的性能和寿命。
由于这些缺点，研究人员和制造商正在寻找替代材料和技术 ，如三元锂电池、磷酸铁锂电池、固态电池等，以克服钴酸锂电池的局限性。
钴酸锂电池的未来发展将受到多种因素的影响 ，包括技术创新、成本下降、市场需求的增长以及环境和社会责任的考虑。
下面是一些可能影响钴酸锂电池未来发展的关键因素：
技术创新 ——为了克服钴酸锂电池的局限性，如成本、安全性和资源依赖性，研究人员正在开发新的电池材料和设计。
成本下降 ——随着制造技术的进步和规模化生产，钴酸锂电池的成本有望进一步下降 。此外，回收和再利用废旧电池中的钴等有价金属也将有助于降低成本。
市场需求的增长 ——随着便携式电子设备和电动汽车市场的不断扩大，对高能量密度电池的需求将持续增长 。钴酸锂电池在这一市场领域仍具有竞争优势。
环境和社会责任 ——钴的开采和加工对环境的影响以及劳工权益问题日益受到关注 。这可能导致对钴酸锂电池的需求受到一定程度的影响，促使行业寻找更可持续的替代材料。
竞争性电池技术 ——其他电池技术，如三元锂电池、磷酸铁锂电池和固态电池 ，正在快速发展，并在某些应用领域与钴酸锂电池竞争。这些技术的发展可能会影响钴酸锂电池的市场份额。
政策和支持 ——政府政策和资金支持对于电池技术的发展至关重要 。鼓励研发和创新的政策将有助于推动钴酸锂电池技术的进步。
近期，中国科学院物理研究所的研究团队取得了一些重要进展 。他们开发了一种利用固态电解质材料包覆钴酸锂的技术，通过这种技术改性的钴酸锂材料显示出目前实验室所报道的最佳室温和高温电化学性能。
以目前来看，钴酸锂电池的未来将取决于其能否在成本、性能和可持续性方面取得突破 。虽然面临挑战，但钴酸锂电池仍可能在某些应用领域保持其重要性 ，同时行业也将不断探索和开发新的电池技术。
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