动力电池行业报告：特斯拉动力电池技术布局（33页）

行业报告下载 2020年04月07日 06:58 管理员

发表于 Advanced Energy Materials 上的论文 Nickel-Rich and Lithium-Rich Layered Oxide Cathodes: Progress and Perspectives 归纳了高镍体系下不同元素的作用：钴对于降低锂镍混排有显著作用（Co substitution was highly effective in lowering the cation mixing between the Li and TM layers，原文如此）；锰降低成本、改善热稳定性，但是会一定程度增加锂镍混排；镁可以改善热稳定性、抑制相变与正极释氧；铝抑制相变，提升比重量容量。发表于 Nature Energy 上的论文 High-nickel layered oxide cathodes for lithium-based automotive batteries 归纳：在保持可接受的功率、寿命和安全指标的同时，继续推动提高能量密度、减少钴等昂贵原材料的使用，需要一套战略性的成分、形貌和微观结构设计以及高效的材料生产工艺；NCA 材料的无钴化比 NCM 的无钴化相对可行。发表于 Sicence 上的论文 Cobalt in lithium-ion batteries（2020 年 2 月 28 日刊出）深入地分析了钴掺杂的机理。研究者认为：对一个高镍正极层状材料体系而言，除物相本身的不稳定性和杂相生成的可能性外，Ni 具有相对强的磁矩，三个呈三角排布的镍导致“磁挫”（magnetic frustration，原文如此），材料体系处于高能量不稳定状态。

锂无磁矩，故有倾向进入镍位使整个材料体系稳定化，但同时缺锂的锂氧层状结构层间距减小，阻碍锂的传输，导致正极的容量不可逆衰减。钴的掺杂作用同样是因为其无磁矩，可稳定材料体系，抑制不需要的锂镍混排。作者同时分析了“无钴化”的路径：其一，用其他有类似作用的元素替代钴，但可能影响正极体系容量，并在动力学上不利于倍率性能发挥；多个材料体系耦合，但可能有严重的相变存在；使用阴离子氧化还原对，但循环寿命可能有限；精细调控高镍材料的组成、煅烧温度、时间和气氛，也许需要机器学习手段进行辅助，最终可能将钴含量压缩到掺杂水平（1%）。作者也表示，钴的作用也许不如先前假定的那么重要（the role of cobalt may not have been as critical to performance as initially presumed，原文如此）。

综合上述有效信息，我们估计：特斯拉的无钴电池产品可能依托镍酸锂正极基材出发，Ni 以外以采用 Al/Mg/Mn 之一或共掺杂构建材料体系的概率最大；鉴于目前学术论文对应样品存在的低倍率（C/5）循环寿命测试结果较短（400 次循环容量保持率不足 70%）、容量不高（200 次循环衰减至不足 180mAh/g，400 次循环衰减至不足 160mAh/g）、纽扣电池可参考性不够大等问题，以及考虑到钴在改善镍锂混排、提升倍率性能方面的关键性作用，形成无钴电池产品，尤其是高容量、长寿命、满足快充和快放需求的高性能无钴电池产品，仍需相当程度的科学-技术-工程层面努力；钴大概率仍是高镍动力锂离子电池的必需元素。