2月18日，一則特斯拉將開發無鈷電池的傳聞掃蕩資本市場，引起無數跟鈷資源相關的股票大跌，華友鈷業、寒銳鈷業等行業領頭羊均遭遇股票跌停。其實背后的邏輯也不難理解，因為相比于鋰離子電池需要的其他元素，鈷（Co）元素的確是相當的短缺。鋰離子電池正極材料四種主要元素為Ni、Co、Mn和Li，這其中Mn元素儲量豐富，價格低廉，對正極材料成本的影響幾乎為零，Ni元素價格稍高，但是鋰離子電池并不是Ni的主要用戶，根據相關統計數據，鋰離子電池正極材料生產消耗的Ni僅占全球Ni消費的3%，而使用Ni的大戶是不銹鋼行業，占到了全球需求量的2/3，因此鋰離子電池行業不會對全球Ni供應鏈產生大的影響。接下來在看Li元素，雖然在前期資本炒作下碳酸鋰價格出現了大漲，但是實際上鋰資源在全球儲量十分豐富，據估計目前仍有60%的鋰資源尚未得到勘探和開發，隨著各大公司產能增加和大型鋰礦的逐漸發現，鋰已經出現了供應過剩的苗頭。而鈷才是真正的小眾元素，據估計全球的鈷儲量僅為700萬噸，且分布集中，剛果（金）、澳大利亞和古巴三國儲量占據了全球儲量的70%，這也就導致了一個非常危險的局面：鈷資源非常容易被控制，全球礦業巨頭嘉能可擁有全球最大（206.7萬噸）、品質最好的鈷礦資源，在市場上擁有較大的話語權，因此鈷價在2017年突破40萬元/噸天際，極大的增加了鋰離子電池成本。
正是在這樣的一個背景下包括特斯拉在內的眾多電動汽車企業和動力電池、上游原材料企業都急切的希望在動力電池實現去鈷化，以擺脫對鈷資源的依賴，有效的降低動力電池成本。
但是搞技術不是過家家，要想實現無鈷化，光靠喊幾句口號是行不通的，這也是近年來無鈷化喊的很兇，卻遲遲沒有產品出現主要原因。那么無鈷化在技術上究竟有什么難題呢？要回答這一問題，我們就需要從三元材料的結構上講起，我們常見的三元材料，如NCM111、NCM622和NCM811等，都具有層狀結構【1】，在晶體結構上可以簡單的認為其由過渡金屬元素層（Ni、Co、Mn、Al等）、O層和Li層三層結構構成，在充電的過程中Li+會脫出，在Li層出現空位，在放電的過程中Li+會重新嵌入，再次占據Li層中的空位，如果這一反應能夠遵循這一規則進行，那么我們將得到循環性能優異的三元材料。
但是Ni元素并不是一個安分的元素，這是因為Ni2+的離子半徑為0.069nm，而Li+的半徑為0.076nm，如果說Li+是一個小胖子，那么Ni2+就是一個體型差不的小胖子，因此在充電過程中Li層出現的空位，很容易被躍躍欲試的Ni2+霸占，并且不打欠條，不幸的是在高鎳材料中這樣的Ni2+含量還不低，因此Li/Ni混排現象就在所難免了【2，3】。Li/Ni混排會產生一系列的負面影響，首先由于Ni占據Li位， Li+出差回家發現“房子”被人占了，還沒處說理，因此三元材料內部可供Li嵌入的空位數量減少，引起材料的容量降低。此外，Ni占據Li層的空位后就發揚原地蹲的精神，擋在Li+擴散通道上，也造成了材料的倍率性能的降低。而鈷元素在三元材料中的一個重要作用就是減少Li/Ni混排現象的發生，從而達到提升三元材料循環性能。
此外，三元材料，特別是高鎳三元材料在充電的過程中會發生多次相變，按照電壓自低向高的順序分別是：H1-M轉變，M-H2轉變，H2-H3轉變，每次相變都會引起材料晶格參數的變化，特別是在4.1V左右的H2-H3相變過程中材料的晶胞還會發生顯著的體積收縮，并且相關研究表明隨著Ni含量的增加H2-H3相變也會變得更加嚴重，從而造成更大的體積收縮【4】，在Ni含量為0.8時體積收縮約為5.63%，Ni為0.88時體積收縮則達到7.1%，Ni含量為0.95時體積收縮則達到8.37%，巨大的體積變化會在顆粒表面產生大量的裂紋，從而加劇電解液對于活性物質的侵蝕和過渡金屬元素的溶解，引起電池阻抗增加和循環壽命衰降。而三元材料中的鈷元素則能夠起到抑制材料充電過程中的相變的作用，從而達到提升材料循環性能的目的。
從上面的分析可以看出，鈷元素在三元材料中起到穩定晶體結構、減少Li/Ni混排的重要作用，所以技術上實現無鈷化沒那么簡單，因此無鈷化雖然人人向往之，但卻遙不可及。所謂天下無難事，只怕有心人，有研究團隊探討了無鈷的可行性，研究表明鈷元素雖然能夠抑制Li/Ni混排，但是我們采用Al和Mg替代鈷元素也同樣能夠獲得非常低的Li/Ni混排率。而在抑制三元材料的相變方面，Al、Mg等元素的表現甚至要更加優異，在5%的摻雜量下就能夠很好的抑制三元材料充電過程的相變，這表明在三元材料中鈷元素并非不可替代，通過適當的摻雜處理能夠很好的穩定三元材料的晶體結構，提升三元材料的循環穩定性。
理論上的可行性為無鈷材料的開發帶來了曙光，吸引了眾多企業參與無鈷材料的開發，特斯拉的馬斯克曾經不止一次的提出要開發無鈷的動力電池，然而直到目前馬斯克同學也僅僅是說說而已，事實證明從理論到實踐的道路仍然非常艱難。當然并非所有的人都像馬斯克那樣喜歡打嘴仗，近日蜂巢能源宣布已經研發出無鈷電池材料，并將在5月18號舉辦名為《無鈷，芯未來》的線上發布會，此發布將早于一直高調喊話要開發無鈷電池的特斯拉，另外據悉蜂巢能源無鈷電池的續航比比亞迪的刀片電池更長，性價比比寧德時代的高鎳三元電池更實在。這一重磅新聞隨即引爆新能源朋友圈，蜂巢究竟采用什么樣的技術解決了高鎳三元材料在充放電過程中的相變和Li/Ni混排等難題？無鈷材料相比于傳統的三元材料在成本上究竟有多少優勢？這一系列的問題只有等到5月18號的發布會上才會揭曉答案。但是有一點是肯定的：蜂巢能源的無鈷電池技術推出，將引起動力電池市場格局的巨變，無鈷電池相比于傳統的三元電池在成本上的降低，能夠進一步拉低動力電池的成本，從而推動電動汽車的售價走低。相比于比亞迪的刀片磷酸鐵鋰電池，高鎳三元材料在能量密度上的天然優勢，也將為其樹立巨大的競爭優勢，據蜂巢官方透露，搭載無鈷材料動力電池的電動汽車續航里程可突破800公里，相比于搭載刀片電池的電動汽車具有巨大的優勢，從而徹底解決消費者的里程焦慮。因此隨著蜂巢無鈷電池的推出，動力電池以普通三元和磷酸鐵鋰為主的二元市場格局將發生巨變，無鈷電池憑借著更低的成本，更高的能量密度，將在動力電池市場形成三足鼎立的新格局，為廣大的消費者帶來更多、更好的選擇。
本文主要參考一下資料
1.Fatigue of LiNi0.8鈷0.15Al0.05O2 in 鈷mmercial Li ion batteries, Journal of Power Sources 273 （2015） 70-82, Karin Kleiner, Ditty Dixon, Peter Jakes, Julia Melke, Murat Yavuz, Christina Roth, Kristian Nikolowski, Verena Liebau, Helmut Ehrenberg
2.Unraveling the capacity fading mechanisms of LiNi0.6鈷0.2Mn0.2O2 at elevated temperatures, Journal of Power Sources 393 （2018） 92–98, Siyang Liu, Junming Su, Jiayue Zhao, Xiang Chen, 鈷ng鈷ng Zhang, Tao Huang, Jianhua Wu, Aishui Yu
3.Cation mixing in LiNi0.8鈷0.15Al0.05O2 positive electrode material studied using high angular resolution electron channeling X-ray spectros鈷py, Journal of Power Sources 401 （2018） 263–270, Yu Yamamoto, Masahiro Ohtsuka, Yosuke Azuma, Teruo Takahashi, Shunsuke Muto
4.Capacity Fading of Ni-Rich NCA Cathodes: Effect of Microcracking Extent, ACS Energy Lett. 2019, 4, 2995-3001, Gyeong Won Nam, Nam-Yung Park, Kang-Joon Park, Jihui Yang, Jun Liu, Chong S. Yoon and Yang-Kook Sun
5.Is 鈷balt Needed in Ni-Rich Positive Electrode Materials for Lithium Ion Batteries? Journal of The Electrochemical Society, 166 （4） A429-A439 （2019）， Hongyang Li, Marc 鈷rmier, Ning Zhang, Julie Inglis, Jing Li and J. R. Dahn
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