電動車電池技術擺脫對鈷的依賴

作者:ADI電池管理系統總經理Mike Kultgen


隨著電動車(和電氣化技術)越來越受消費者和生態系統參與者的歡迎,人們越來越關注整個價值鏈營運和流程中的道德與永續性問題。從開採實踐到電池梯次利用,生態系統的參與者希望透過在整個電池生命週期中進行更多的道德標準,達到加倍關注永續發展的目的。

如今,大多數鋰離子電池都使用化學元素鈷作為陰極材料(這部分將決定鋰離子電池的儲電量)的基礎。與其他化學元素相比,鈷陰極電池的續航時間更久,電荷測量和管理的難度更低。但是,鈷的開採長期飽受爭議。

鈷:電動車電池技術面臨的道德困境

Cobalt Mining

全球大約70%的鈷都是在剛果民主共和國(DRC)開採的,這個國家以貧窮、腐敗和人權問題而聞名1。特別是,該國的鈷開採還涉及使用童工、開採條件不安全、虐待礦工和其他違法問題。隨著電氣化生態系統要求兼顧社會永續性和環境永續性,大家對更低鈷含量的電池化學材料(NMC和NCA)和不含鈷的電池化學材料(例如磷酸鐵鋰(LFP))的興趣與日俱增。許多製造商對此表示歡迎。事實上,特斯拉計畫生產更低鈷含量或不含鈷的高能量電池,以加速建構永續的能源之路2

鈷的成本約為:

15×
1k×

來源:Markets Insider; 全球經濟指標資料網[3,4,5]

LFP電池不僅經過生產驗證,而且在業界使用了10多年,是領先的原始設備製造商完全支援並且首選的技術。然而鈷基化學材料的能量密度要高10%-20%,因此單次充電的續航時間更長。但是,這種高性能伴隨著高風險——相較於LFP,鈷的燃點更低,電池起火的風險更高。此外,LFP電池的生產成本更低,在處理擊穿或熱失控等安全隱患方面效率更高。LFP的高功率特性也使其充電速度更快。

電池化學材料選擇


LFP

LMO

NMC

LCO

NCA

磷酸
鐵鋰
鋰錳
氧化物
鋰鎳
錳鈷
鈷酸
鋰鎳
鈷鋁
LFP Lithium Iron Phosphate LMO Lithium Manganese Oxide NMC Low Lithium Nickel Manganese Cobalt LCO Lithium Cobalt Oxide NCA Lithium Nickel Cobalt Aluminum
用途
非常適合電動車、電動工具、電動公車 電動車、可攜式電子裝置 主要用於電動車、電動工具、電動自行車 主要用於可攜式電子裝置(手機、平板電腦、相機) 電動車、可攜式電子裝置
性能
安全性高,
使用壽命長
高可靠性 高性能;相對安全,自發熱係數低 性能良好;相對安全 高能量密度,使用壽命長;邊際安全
成本
相對較低 鈷含量高,成本高昂

資料來源:電池大學[6]

電動車製造商期望能在高價位、高性能(高階)車輛中使用如今的電池技術,在低階車輛中使用LFP電池。這些低階車輛不使用鈷,降低了成本,所以售價更低。雖然相較於鈷,LFP電池的成本更低,使用更安全,但其放電曲線更平坦,因此,很難準確測量電池電量。

ADI的電池管理系統(BMS)解決方案有助於解決這個問題。

ADI提供業界領先技術,可實現準確的電池充電狀態測量。ADI的BMS解決方案能夠準確高效地管理LFP電池的充電狀態需求,釋放LFP電池對於該產業的潛在成本和安全特性優勢,從而大幅減輕汽車製造商的負擔。此外,LFP電池能在更廣泛的溫度範圍內提供更高的功率密度、更長的生命週期和更低的運行成本,因此非常適合儲能應用等電池梯次利用場景。

Portrait image of Mike Kultgen
“零鈷是汽車產業實現永續發展未來的一個關鍵部分”

Mike Kultgen

電池管理系統總經理 / ADI

ADI零鈷電池願景

化學材料   鋰鎳
錳鈷
  磷酸鐵鋰   鋰鎳鈷
鋁氧化物
縮寫   NMC   LFP   NCA
能量密度(Wh/Kg)   220   120   260
生命週期   1000–2000   1000–2000   500
熱失控   210°C   270°C   150°C
鈷含量      
成本   1.2×   0.8×  
零鈷電池的優勢
● 無童工或強迫勞動
● 低成本結構
●不受熱失控影響
● 適合入門級電動車
  No Colbalt Element    

最終,LFP電池將會降低購買電動車的價格壁壘,推動消費者購買電動車。目前,電池成本占電動車標價的51%7。此外,擺脫對鈷的嚴重依賴將推動該產業建構更合乎道德標準的供應鏈,而LFP電池的優勢最終會協助實現更環保的永續電池生態系統,並提高電池梯次利用的效率。



1Dafydd Davies。《鈷貨源採購限制發生改變》,光伏雜誌,2020年3月10日。

2Bridie Schmidt。《特斯拉數月來一直使用高能量鎳4680電池》,The Driven,2020年9月28日。

3鎳的價格(2021年1月11日),來源:https://markets.businessinsider.com/commodities/nickel-price。

4鋁的價格(2021年1月11日),來源:https://markets.businessinsider.com/commodities/aluminum-price。

5錳的價格(2021年1月11日),來源:https://tradingeconomics.com/commodity/manganese。

6BU-205:鋰離子的類型(2021年1月11日),來源:https://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion。

7Gustavo Henrique Ruffo。《在電動車的總成本中,電池占比多少?》InsideEVs,2020年2月5日。