钴跟锂电池锂电池的后“钴”时代，原料价格飞涨催生电池新技术进|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

锂电池的后“钴”时代，原料价格飞涨催生电池新技术进

1980 年，John Goodenough 于牛津发明了第一块需要钴的锂离子充电电池。 实验证明，钴的能量密度非常高，特别适合体积小却需要大能量的电池。Goodenough 通过加热前导部分的方式，自己来提炼钴。

图丨John Goodenough

今天，大多数商用锂离子电池都采用了钴，但是它造价昂贵。为此，它衍生出了黑色的利益链条：很长一段时间，在刚果共和国存在着侵犯人权的情况，包括雇佣童工采矿的行为。电子设备和电动车公司不愿支付大价钱用于制造生产，亦不愿意参与当地的对人权剥削的行动，所以他们逐渐减少电池中钴的使用量。特斯拉的电池供应商松下公司在上月底宣布，他们正在开发不需要钴的电池。已经研发出无钴电池的 Goodenough 等研究人员也在给松下公司提供帮助。

锂电池有两极，材料各有不同的选择，负极一般是石墨，正极材料提供锂元素，一般为锂、钴和氧的化合物。在电动汽车的使用的锂电池，常常会含有比电子产品更多的镍元素，以求提高能量密度，也减少了稀缺资源钴的使用。但是此举却会使得工艺复杂度以及工艺成本增加，而电池的稳定性也相对较差，更加容易因受到撞击或者高温引起火灾——例如在飞机上起火的三星 Note 7 。相比之下，钴原子外轨上的电子是成对分布的，这意味着它小而致密，并且容易形成层级结构。

图丨未加工的钴铜矿石

但包括 Goodenough 在内的新一代电池研究人员正在转向对锰和铁等材料的研究。 不同于层状结构，这些元素会形成一种“岩盐”（rocksalt）结构。含有岩盐的负极已经在某些装置中被使用，但目前岩盐结构还没有具有与钴或镍相同的高能量密度。

研究人员和公司已准备好替代方案。“因为钴的价格昂贵，所以公司尽量不去在电池制造中使用它”，德克萨斯大学工程教授的 Goodenough 这样说道。在过去的两年中，钴的价格翻了两番。现阶段，便携式电子设备使用了市场上的大部分钴，而未来电动汽车电池组对于钴的需求量将比手机高出近 1000 倍。随着全球气候变暖，越来越多的人正在将内燃机驱动汽车更换成电动汽车。虽然这对地球来说是件好事，但着实推高了钴的价格。

钴是镍和铜等其他金属生产过程中的副产品，但它也以自身的形式存在于地壳中，主要分布在刚果民主共和国的矿山处。2016 年，华盛顿邮报对过去不透明的钴供应链进行了调查，揭露了雇佣童工和缺乏必要开采设备的情况。

图丨刚果的一名矿工正在工作

诚然，也有其它的方式来避免危险开采的情况：回收利用钴。但是，因为锂离子电池的寿命很长，且人们对电子产品需求会越来越高，所以在未来 10 年购买锂离子电池的人会显著增加，来自麻省理工学院的能源研究专家 Elsa Olivetti 表示。去年十月，她发表了一篇文章，得出的结论是钴的供应将迅速增长，以满足未来几年的需求，特别是随着电动汽车的兴起。尽管针对新负极材料的研发和过去八个月钴元素的开源取得进展，她仍然写道：“目前来看，钴类电极依然有存在且被研究的价值。但人们已经开始逐渐减少对于钴元素的使用”，用磷和铁等稳定的、能量密集的金属制造来制造电池负极。

除了分层状和岩盐结构的电池之外，研究人员正在研发固态电池。这类电池可能需要更多的锂，但不一定是钴，并且比现有的锂离子电池要安全得多。宝马、丰田、和本田等汽车公司正在研究这些电池，但 Olivetti 认为该技术不会满足 2025 年的市场需求。在此之前，公司将尝试减少含钴电池的使用。苹果和三星等公司已加入 Responsible Cobalt Initiative 计划，承诺改善在钴的生产过程中产生的环境污染和恶劣社会影响。最近，苹果公司已经开始直接从矿工处购买钴元素，以确保钴供应商的生产安全条件达到行业要求水平。

96 岁高龄的 Goodenough 依然考虑着钴的应用。尽管他已经开发出一块不需要钴的电池，他仍然不认为使用钴的锂电池会从此退出历史舞台。 尽管生产成本高昂，他早年设计的锂电池依然有着非常不错的应用潜力。

马斯克说：我们的锂电池几乎不用钴

据美国彭博社的报道，特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）在一次电话会议中称：特斯拉已掌握了在锂离子电池中降低钴金属用量的技术，其原话是：We think we can get cobalt to almost nothing。特斯拉目前正在大批量生产Model 3车型，该车的动力正是来自锂离子电池组。

马斯克的这个说法，传达了怎样的信息呢？

目前，钴是生产锂离子电池的重要金属，主要用于电池的正极材料，如钴酸锂、镍钴锰酸锂（NCM）等。据电池用钴盐制造商eCobalt Solutions的估计，到2020年，75%的锂电池都将用到钴，因为钴具备增加电动车续航能力的作用。但是，全球约一半的钴来自战乱中的扎伊尔（刚果共和国），很多人担心钴供应量的稳定性，再加上各国大力发展纯电动车，导致对钴的需求飙升，钴的价格有成倍增长的趋势。因此，在锂离子电池中减少钴的用量，具有非常实际的意义。

那么应该如何降低钴的用量呢？一般的技术方案是增加镍的使用量，镍的主要作用也是提升电池的能量密度。这个研究方向，被称作高镍三元材料（如622/811等，这三个数字代表镍钴锰的比例）。但是，镍的用量增加之后，会导致相应的电极材料的结构稳定性降低，从而导致电池循环寿命和安全性大幅降低。另外，不同材料体系需要匹配不同配方的电解液，因高镍三元表面的杂质多，需要更为优化的电解液配方，而这也是研发的难点。

从马斯克的说法来看，特斯拉未来的锂离子电池方案应该是高镍三元。据悉，为特斯拉提供锂离子电池的是日本的松下公司，是全球掌握高镍三元量产技术的数家公司之一，采用的是镍钴铝酸锂（NCA），比例为8:1.5:0.5。特斯拉之前向股东披露的信息说，其锂离子电池有着业内最高的能量密度，并且解决了高镍之后的热稳定性问题。