Baterías inofensivas sin cobalto | Divulgación científica
Después de experimentar altibajos, los precios de las acciones de los tres principales gigantes nacionales de la industria del cobalto: Hanrui Cobalt, Huayou Cobalt y China Molybdenum Co., casi han vuelto a los niveles de un hace un año.
Hace un mes, cuando las palabras "baterías sin cobalto" aparecieron en la cooperación entre Amperex Technology Co., Limited y Tesla, los precios de las acciones de los tres gigantes de la industria del cobalto se desplomaron. ? Posteriormente, cuando surgieron más pistas de que las baterías sin cobalto eran baterías de fosfato de hierro y litio que no tenían nada que ver con el cobalto de principio a fin, la industria comenzó a sospechar que esto podría ser un "ataque furtivo de la opinión pública" a las baterías ternarias de litio por parte del litio. -Baterías de iones y se abusó del concepto de baterías sin cobalto, "sirven como hacha".
Inmediatamente después, Tesla emitió un comentario quemado después de leer: "Sin cobalto, no es necesariamente fosfato de hierro y litio", dejando a la gente con un suspenso sin fin. Algunos medios combinaron este asunto con la tecnología de producción de electrodos secos y la tecnología de supercondensadores obtenida por la adquisición de Maxwell Company por parte de Tesla, creyendo que Tesla cambiará una vez más la tendencia tecnológica de la industria de las baterías eléctricas. Se dice que Tesla dará a conocer el progreso técnico de las baterías sin cobalto el Día de la Batería en abril de este año.
Sin embargo, considerando la constante tradición de Tesla de retrasar las ventas y las leyes objetivas en el campo de los materiales, si simplemente se concentra en el desarrollo de baterías de litio y baterías de energía para automóviles, descubrirá que esto puede ser una "gran noticia". ”En el campo de la batería. Otra rutina tradicional. La humanidad ha estado luchando en el camino hacia las baterías de litio sin cobalto durante muchos años, y es probable que continúe luchando durante muchos años.
¿Qué es "libre de cobalto"?
¿Por qué la palabra "libre de cobalto" puede causar terremotos industriales? No es exagerado decir que en el campo de las baterías eléctricas para automóviles de pasajeros, esto equivale a arrancar los cimientos de la industria.
En la actualidad, las baterías eléctricas de los vehículos eléctricos utilizan principalmente dos sistemas de materiales catódicos: fosfato de hierro y litio y litio ternario. El litio ternario ocupa una posición dominante absoluta en el mercado de automóviles de pasajeros. Y representado por Tesla y otras empresas automovilísticas, el sistema ternario de litio se ha diferenciado en un par de hermanos gemelos: Tesla utiliza NCA (aluminato de litio, níquel y cobalto), y otras empresas automovilísticas utilizan básicamente NCM (mangannato de litio, níquel y cobalto).
Puedes ver que los hermanos gemelos pueden cambiar entre Mn (manganeso) y Al (aluminio), pero las posiciones de Ni (níquel) y Co (cobalto) no se pueden mover. Para comprender la importancia del níquel y el cobalto, debemos observar la estructura en capas, que es la base de los materiales ternarios de litio. La estabilidad de la estructura en capas es un requisito previo para el funcionamiento ordenado de la batería y una garantía de rendimiento y vida útil de la misma.
En la estructura en capas de los materiales ternarios de litio, la misión del níquel es formar un "esqueleto" en el que se pueden incrustar iones de litio para aumentar la densidad energética de la batería. Cuando la batería está cargada, se insertarán iones de litio desde el electrodo positivo, dejando agujeros. Estos agujeros pueden provocar que los iones de níquel abandonen sus postes y ocupen el espacio que originalmente pertenecía a los iones de litio.
Cuando los iones de litio regresan al electrodo positivo durante la descarga de la batería, sólo pueden ir a la capa que pertenece al níquel, lo que produce una "descarga mixta de níquel-litio". Si se inician más reacciones en cadena, el resultado es el colapso de la estructura en capas. Cuando los materiales de la batería son caóticos a nivel micro, el resultado macro es que el ciclo de vida de la batería se acorta, la capacidad de la batería se reduce e incluso se generan riesgos para la seguridad.
La función del cobalto es hacer que este esqueleto sea más estable, inhibir la disposición mixta de níquel y litio y mantener la estructura en capas del material del cátodo de litio ternario tanto como sea posible.
Desafortunadamente, el cobalto es el material más caro en las baterías eléctricas. El precio del litio sigue siendo caro y el precio del cobalto es aproximadamente 6 veces mayor que el del litio. Además, debido a que la principal zona productora de cobalto es la República Democrática del Congo, la situación política es extremadamente inestable y existe el riesgo de reducción e interrupción del suministro. Por lo tanto, ya sea para reducir costos o garantizar la seguridad de la cadena de suministro, es de importancia práctica encontrar una solución de material para baterías con menos o nada de cobalto.
De hecho, la industria de las baterías eléctricas ha estado en el camino hacia la "descarbonización". Tesla es pionera en este camino.
Cuando se lanzó el primer automóvil Roadster en los primeros años, el material del cátodo de la batería utilizado por Tesla era óxido de litio y cobalto. Se puede decir que el óxido de litio y cobalto es el predecesor de la industria de las baterías de litio. En la década de 1980, cuando Sony tomó la iniciativa en la comercialización de baterías de litio, eligió la ruta del óxido de litio y cobalto. El óxido de litio y cobalto tiene un buen ciclo de vida y la relación volumen-energía más alta entre todos los materiales. Es especialmente adecuado para la electrónica de consumo (de hecho, el óxido de litio y cobalto todavía se usa ampliamente en baterías para computadoras portátiles, teléfonos móviles y bancos de energía). y otros productos hoy).
Sin embargo, el óxido de litio y cobalto no es adecuado para su uso en baterías de vehículos debido a su baja densidad de energía real, su bajo rendimiento de seguridad y su gran cantidad de cobalto.
En su batería de energía de segunda generación, Tesla reemplazó el material del cátodo con NCA, lo que redujo los costos de la batería al tiempo que garantizaba la capacidad y la seguridad de la batería. En 2018, Musk dijo en Twitter que el contenido de cobalto en las baterías de Tesla se había reducido a menos del 3% en ese momento, y que su objetivo final era eliminar el cobalto de sus propias baterías.
En el material hermano de NCA, NCM, la industria también está avanzando en el camino de reducir la cantidad de cobalto: la proporción de material de níquel, cobalto y manganeso es de 1:1:1 a 5:2. :3. Solicité 8:1:1 en los últimos dos años.
Pero antes de Tesla, nadie se atrevía a gritar el lema "libre de cobalto". Porque nadie puede predecir si el rendimiento del material de litio ternario en auge colapsará una vez que se elimine por completo el cobalto. La voz de Tesla provocó varios esfuerzos de la industria en materia de baterías sin cobalto.
Cuatro métodos sin cobalto
Aunque "sin cobalto" suena disruptivo, a juzgar por el camino específico, el sistema técnico de las baterías de litio no ha sufrido cambios trascendentales.
Por un lado, la búsqueda de baterías libres de cobalto ha llevado al renacimiento de las baterías de litio-hierro. Originalmente, las baterías de litio-hierro perdieron su competitividad en el mercado de turismos debido a limitaciones en la densidad energética teórica. Pero desde el año pasado, BYD y Contemporary Ampere Technology Co., Ltd. han lanzado sucesivamente baterías Blade y tecnología de batería CTP (Cell? Where? Pack), que mejoran la densidad de energía del sistema de batería cambiando la estructura sin cortar el material de la batería. Básicamente alcanzando el nivel del material ternario de litio 5:2:3.
Esta innovación en métodos de ingeniería, en lugar de innovación en sistemas de materiales, combina perfectamente las ventajas del fosfato de hierro y litio en la vida útil, la seguridad y el costo del ciclo de vida de la batería, lo que hace que el fosfato de hierro y litio cobre una nueva vida. BYD lanzó un nuevo modelo insignia "Han" sobre esta base, ¿y Contemporary Ampere Technology Co., Ltd. obtuvo un modelo Tesla sobre esta base? Pedido de suministro de baterías para 3 versiones de duración estándar de baterías.
1. Manganato de litio espinela "Sólo manganeso" LiMn2O4, Li2MnO3 rico en litio.
2. "Sólo níquel" LiNiO2.
3. Manganato de níquel-litio espinela LiNi0.5Mn1.5O4, se requiere tanto manganeso como níquel.
4. El género de "mezclar otra cosa" es NiAl/NiMg, etc. Esta es la ruta de Tesla.
El trabajo en esta ruta lo lleva a cabo principalmente Jeff, el "padre del litio ternario", que ha cooperado durante mucho tiempo con Tesla. Lo que hizo el equipo de Dahn fue utilizar níquel como material principal (95%) y doparlo con magnesio, aluminio o manganeso para reemplazar completamente el cobalto en el material del cátodo. Según el artículo publicado por el equipo de Dahn, la conclusión experimental muestra que el magnesio y el aluminio desempeñan un papel similar al del cobalto y pueden estabilizar la estructura estratificada.
Las diferentes soluciones tienen sus propios problemas. Por ejemplo, el óxido de litio y níquel no es seguro; la base de manganeso rica en litio tiene una vida demasiado corta; la densidad energética del manganato de espinela y litio es demasiado baja para resolver estos problemas, pero está lleno de dificultades en la producción. En general, debido a la búsqueda de una alta densidad de energía por parte de la industria de las baterías eléctricas, la industria valora más las series con alto contenido de níquel. Sin embargo, después de que las baterías sin cobalto eliminan el cobalto que desempeña un papel estabilizador en la estructura, la seguridad y la vida útil de la batería se vuelven más prominentes.
¿Dónde está Jeff? El equipo de Dahn parece haber encontrado una buena manera de resolver el problema, que puede lograr una transición suave en la ruta de la tecnología de baterías existente de Tesla y resolver varios problemas sin baterías de cobalto.
Sin embargo, cabe señalar que cuando el fosfato de hierro y litio volvió a entrar en el escenario de los turismos con la ayuda de las baterías Blade y la tecnología CTP, y una vez se convirtió en el representante de las baterías sin cobalto, las baterías sin cobalto Tecnología de baterías derivada del sistema ternario. La mayoría de ellas se quedan en etapa de laboratorio.
La brecha entre el laboratorio y la comercialización
Como se mencionó anteriormente, las baterías sin cobalto no solo son la dirección de los esfuerzos de Tesla, sino también un tema candente en los laboratorios de baterías de todo el mundo.
Pero, obviamente, siempre hay una brecha que debe superarse antes de que una tecnología pase del laboratorio a las aplicaciones comerciales.
Cuando la batería sin cobalto de Tesla atrajo la atención de la industria, Zhihu V "Frey Liu", un experto en ingeniería electroquímica de un determinado fabricante de equipos originales, cuestionó públicamente que la tecnología de baterías sin cobalto de Tesla no estuviera a punto de comercializarse. Él cree que los resultados experimentales del equipo de Dahn se obtuvieron en condiciones de una batería pequeña y un pequeño número de ciclos de carga y descarga, que son completamente diferentes de las condiciones de uso reales de los vehículos eléctricos, y las conclusiones experimentales no deberían ser directamente aplicado a la tecnología comercial a gran escala.
Por otro lado, también cree que la tecnología de electrodos secos Maxwell adquirida por Tesla no tiene evidencia directa de que pueda lograr un mejor rendimiento y vida útil que los electrodos húmedos tradicionales.
Al mismo tiempo, algunas personas en la industria creen que Tesla puede adoptar un enfoque de optimización integral, es decir, centrarse en la innovación de materiales y métodos de ingeniería al mismo tiempo; el camino específico es utilizar cobalto. baterías libres, pero en términos de materiales de la batería. El compromiso con el contenido de níquel mejora la seguridad de la batería y el ciclo de vida a expensas de cierto rendimiento de densidad de energía. La deficiencia de la densidad de energía de la batería se puede resolver aplicando electrodos secos combinados con tecnología previa a la litiación (es decir, cargando más litio en el electrodo negativo de la batería por adelantado para complementar la posible pérdida de capacidad de la batería durante el uso posterior).
De hecho, este enfoque de optimización integral está en línea con el estilo de Musk, es decir, utilizar la innovación en métodos de ingeniería para crear nuevas soluciones en la industria basadas en el respeto de los primeros principios. ¿Es un modelo de primera generación? El paquete de baterías compuesto por más de 8.000 celdas cilíndricas del S, o el cohete de primera etapa que SpaceX puede reciclar, es el resultado de un pensamiento inverso basado en primeros principios y métodos de ingeniería.
Sin embargo, el éxito de este tipo de pensamiento en el pasado no significa que pueda replicarse perfectamente en "baterías sin cobalto". Como dicen los conocedores de la industria, si el éxito pasado representa el éxito futuro, entonces se puede deducir que las baterías sin cobalto no han podido salir del laboratorio durante muchos años, de lo que se puede deducir que las baterías sin cobalto son solo castillos en el aire.
Conclusión:
Volviendo al principio del artículo, los tres principales gigantes nacionales de la industria del cobalto han estado preocupados por el escándalo de las "baterías sin cobalto" de Tesla, pero no es del todo una tragedia para la industria. Sin embargo, debido al entusiasmo del capital por el cobalto hace algún tiempo, el estatus del cobalto ha aumentado hasta el punto de que ya no está en contacto con la demanda del mercado. Esto va en contra de los esfuerzos por eliminar el cobalto en la industria energética.
La gran noticia de la “batería sin cobalto” de Tesla es sólo un gran avance para que entren en juego las reglas del mercado, lo que provocará que el cobalto “vuelva a su valor”.
Del mismo modo, el campo de las baterías siempre ha sido propenso a "desarrollos revolucionarios" y "descubrimientos disruptivos". Pero la mayoría de estos avances tienden a demostrarse a posteriori y son sólo palabras vacías. De hecho, el nivel de tecnología de baterías de la sociedad humana siempre ha mostrado una imagen gradual.
Es difícil determinar si las baterías sin cobalto pueden convertirse en una realidad, pero lo cierto es que no hay ningún milagro en el desarrollo de las baterías, sólo hay un camino: el desarrollo gradual de materiales y innovación en aplicaciones de ingeniería.
Este artículo es de Autohome, el autor de Autohome, y no representa la posición de Autohome.