钴在新能源汽车动力锂电池中的应用前景分析

王晓明

1 钴在全球新能源汽车市场中的应用现状

1.1 钴的应用市场逐步向锂电池倾斜

传统上，钴主要的消费市场分布在锂电池材料、硬质合金、高温合金、磁性材料等领域。随着消费电子领域3C产品及电动汽车和储能领域的迅猛扩展，锂电池领域已逐渐成为钴的第一大应用市场。据世界金属统计局（WBMS）统计，2020年全年钴消费量预计达到13.1万金属吨，2020年全球和中国市场锂电池领域钴的消费占比将分别达到69%和84%，2020年全球正极材料钴消耗量约8.5万金属吨，同比增长11%；其中钴酸锂用钴5.3万t，三元材料用钴3.9万t。由于新能源汽车的蓬勃发展，动力锂电中正极材料的需求与日俱增，加之近几年车用锂电正极材料主要采用三元体系，因此激发了电池行业对钴金属后续需求的乐观预估。

1.2 车用动力电池是未来锂电市场最大增长点

“碳中和”及碳减排已经逐渐成为全球共同的价值观，新能源汽车在全球范围内均被视为重要的战略新兴产业，即使在2020年新冠疫情的影响下，全球各重要经济体却明确将其作为未来发展方向，各国和主力车企陆续公布燃油车禁售时间表和新能源汽车发展目标。2021年1月，美国总统拜登上任后首次签署行政令，重新加入巴黎气候协定。中国宣布力争碳排放于2030年前达到峰值，2060年前实现“碳中和”，即碳排放总量为零。全球新能源汽车产业成为主要经济体疫情后刺激经济的主要着力点，正在迎来新一轮的成长机遇期。

2020年也是全球电动汽车（EV）年销量首次突破300万辆的一年。根据EV Sales Blog的数据，2020年全球电动汽车销量约为312.5万辆，同比增长41%，汽车市场占比份额达到4%。其中，纯电动汽车（BEV）的市场份额为2.8%，插電式混合动力汽车（PHEV）的市场份额为1.2%。根据中国汽车工业协会统计，2020年中国新能源汽车产销分别完成136.6万辆和136.7万辆，同比分别增长7.5%和10.9%。其中纯电动汽车产销分别完成110.5万辆和111.5万辆，同比分别增长5.4%和11.6%（具体情况见图1）。

根据EV Sales Blog的数据，2020年欧洲电动乘用汽车销量创下史上最高纪录，同比增长142%，全年电动车销量超过136万辆，超过中国市场，成为全球最大电动乘用车市场（见图2）。分电池体系来看，欧洲电动车以NCM/NCA三元锂电池配套为主。

2020年美国电动汽车销量同比增长4%，而汽车市场销量同比降低15%（见图3），这主要来得益于Model—Y的推出。美国市场依然以NCM/NCA三元锂电池配套为主。

1.3 三元材料在车用动力电池的应用现状

EV Tank发布的白皮书数据显示，2020年全球锂离子电池出货量达到294.5GWh，得益于欧洲新能源汽车市场的超预期增长，全球汽车用动力电池（EV Lib）出货量同比增长26.4%，达到158.2GWh，中国市场汽车用动力电池（EV Lib）出货量为84.5GWh。分材料体系来看，海外电动车目前几乎均为三元电池，中国市场呈现三元电池为主，磷酸铁锂电池快速追赶，未来可能呈现并驾齐驱的趋势。

中国汽车动力电池产业创新联盟发布最新数据显示，2020年中国动力电池装机量累计63.6GWh，同比上升2.3%。其中三元电池装车量累计38.9GWh，占总装车量61.1%，同比累计下降4.1%；磷酸铁锂电池装车量累计24.4GWh，占总装车量38.3%，同比累计增长20.6%（见图4）。

虽然在疫情因素影响下，2020年上半年国内新能源汽车市场表现略显不佳，但是随着小动力、储能等市场的崛起以及下半年全球新能源汽车市场的复苏，2020年国内各锂电原材料产量均取得较大幅增长。据鑫椤资讯统计数据显示，2020年国内4大正极材料总产量51.9万t，同比增长20.8%，其中磷酸铁锂材料表现强势，产量达到14.2万t，同比增长45.7%。钴酸锂与锰酸锂正极材料的产量分别为7.38万t及9.29万t，同比分别增长24.8%及21.6%；三元材料产量增速最缓，仅7%，全年总量约为21万t。

目前在车用动力电池上量产的三元动力材料主要有NCM333系列、NCM523系列、NCM622系列和NCM811系列以及NCA产品。国内三元材料技术竞争激烈，产品更新换代速度较快，由于多元化的灵活性要求，中国市场上还衍生出一些偏比例产品，如Ni：Co：Mn=65：15：20及55：15：30等等。

1.4 钴在三元动力电池应用中面临的挑战

根据美国地质调查局2020年数据显示，全球钴矿资源储量约为698.9万金属吨，钴矿绝大多数属于铜、镍的伴生矿，原生钴矿占比不超过5%，钴的供应受铜、镍矿产量影响较大，钴产量与镍、铜产量息息相关，单独开采钴成本较高，因此钴供应的弹性较小，供应并不随钴的需求增加而增加。

全球钴的资源储量高度集中，刚果（金）的钴储量为360万金属吨，占全球钴储量的52%，居世界第1，而中国钴储量约为8万金属吨，全球占比仅1.1%。我国钴资源主要集中在甘肃，金川是我国最大的镍钴资源和生产基地。刚果（金）是全球最主要的钴矿生产国，位于非洲中西部，在刚果（金）及其周围国家和地区境内的锡石、黑钨、钶钽、铁矿和黄金等稀有金属开采与冲突的武装组织有关（资助），导致该地区长期不稳定，已造成严重的人权与环境问题，对产业终端企业和下游产业链安全有重要影响。

2020年嘉能可斯特拉塔股份有限公司在全球钴的市场份额达到20%，洛阳栾川钼业集团股份有限公司、浙江华友钴业股份有限公司、欧亚资源集团（ERG）和Chemaf Sarl钴矿公司市场份额分别占比10%、9%、7%和6%，前5家合计占据全球52%的份额。嘉能可是全球最大的钴生产商和贸易商，控制了刚果（金）最优质的铜钴矿山，其经营策略对于全球钴供需及其预期的边际影响权重较大，一定程度上掌握了全球钴市场的定价权。

在钴原料加工环节，中国占据全球67%的精炼钴产量，是最重要的钴精炼基地，中国的钴原料94%进口自刚果（金），其中约60%从南非出港运往中国，2020年和2021年初因非洲疫情影响，港口封闭或陆运等因素导致国际钴价格剧烈波动，对产业链造成了巨大影响。

钴价波动幅度较大，过去20年，钴价高幅达到约48美元/磅（折合人民币约86万元/t），低幅跌到8美元/磅（折合人民币15万/t），价格差距高达6倍，且出现多次暴涨暴跌的现象。2002年开始，由于全球电子产品和高温合金的对钴的大量需求，同时刚果（金）政府开始执行禁止出口未加工的钴的禁令，钴矿石产量现10年来首次下降，出现供应远远不能满足需求的情况，钴价开始暴涨，在2008年达到高位。在钴的应用范围逐步扩大的背景下，中国生产和消费精炼钴也在快速增长，成为世界最大的精炼钴生产基地，随着2008年全球爆发金融危机，钴价格又现长达7年的下跌周期。

2016年全球电动汽车的快速发展，三元锂电池用钴成为钴需求增速最快、空间最大的领域。在全球新能源汽车爆发和各类市场炒作力量的综合影响下，钴逐渐进入了又一轮大周期，而刚果（金）政府政策的不确定性（新矿业法），以及不稳定的时局，也带来更多的扰动。最终在2018年4月份达到顶峰，随后由于全球电动汽车推广不及预期，中国对电动车补贴退坡，电动车安全性频发的背景下，钴价开始急速回落。2020年国际市场钴价在13～18美元/磅（折合人民约22万～31万元/t）之间波动。2021年初开始，在新冠疫情、全球大范围经济刺激计划和全球电动车需求超预期的影响下，价格又一次快速上涨。大起大落的价格剧烈波动对下游电池厂、整车厂的成本造成了巨大压力和供应链安全风险。以特斯拉等为代表的下游车企和宁德时代新能源科技股份有限公司（CATL）、SK等为代表的锂电池企业为确保供应链安全和成本可控，一方面通过技术途径不断探索高镍化、低钴化甚至无钴化动力电池技术探索降低钴的需求，另一方面直接到刚果源头采购钴资源保障自用钴资源的稳定性。尽管如此，在动力电池的组成金属之中，钴的价格最高钴价的高价和价格波动幅度仍然给下游的车企和动力电池企业带来巨大的经营风险，车企和动力锂电企业必会持续从技术层面及供应稳定性上不断减少钴的使用。

2 动力电池无钴化、高镍化背景下钴的应用前景

根据美国能源部资料，如果电动汽车要与汽油或柴油汽车竞争，电动汽车则必须达到125美元/kWh（0.8元/Wh）的价格。美国能源部估计到2022年将达到这一临界值。某些其他研究机构表示，当电池成本降低至100美元/kWh（0.7元/kWh）时，可以替代汽油/柴油。

针对成本下降和能量密度提升的两个关键指标，中国动力电池采取的正极材料体系的技术路线主要有3个，一是三元材料高镍低钴路线，二是三元材料低镍高电压路线，三是叠加刀片电池等模组简化技术的磷酸铁锂路线。

2.1 三元动力电池高镍低钴化

三元动力电池采用的正极材料从最初的NCM333逐渐增加镍的用量，降低钴的用量，直至镍上升到90%以上，钴减到无钴，并配合负极加硅，电解质从有机溶剂逐步向全固态电池发展。从能量密度的角度来看，高镍三元材料优势较为明显：NCM/NCA电芯能量密度达到280～300Wh/kg，电池包能量密度180～210Wh/kg；LFP电芯能量密度达到200Wh/kg，电池包能量密度≥160Wh/kg；锰酸锂电芯能量密度达到170Wh/kg，电池包能量密度135Wh/kg。但是从成本的角度来说，无钴的LFP体系锂电池有显著的优势。

对比2020及2019年动力三元电池产量结构，高镍化趋势依旧明显。2020年三元材料523占比56%，相比于2018年比重基本不变；NCM622占比17%，相比于2018年比重下降6.2%；高镍811（NCM811）占比24.3%，相较于2019年比重有较大提升。

由于2020年夏天高镍车型安全事故频发，市场对高镍三元的应用更为谨慎，加上电池包结构优化，5系三元+CTP技术逐步使用至新车型上，国内5系三元应用比例有所增加，国内8系需求稳定，8系材料的需求增量基本来自国外。

为满足未来电动车里程需求，高镍化是三元材料发展的必经之路，未来随着明星高端车型的研发，以及电池厂高镍电池研发安全方面取得突破，同时可以应用于无模组动力电池包（CTP）技术，高镍三元材料产量占比或将进一步上升。

2.2 三元动力电池中镍高电压

锂电池在高电压、长周期循环情况下，正极材料粉化比较明显，电芯容易出现循环跳水。近几年来发展较快的单晶型的三元材料由于晶体机构稳定，不但产热量少，安全性能更为优异，在高电压环境中容量发挥也较高，有效提升了锂电池的能量密度。

同时由于中镍如5系、6系三元材料的生产技术成熟，目前材料成本比8系高镍低15%～25%。配合高电压应用也可以达到高镍811常电压下的能量密度，因此在我国市场上得到快速应用。目前5系、6系和7系三元材料已经实现了4.3～4.35V高电压化，8系三元材料由于安全性能略差，目前仍主要在常电压下使用。

中镍三元材料高电压体系是三元动力电池短期内比较安全可靠的技术路线之一。随着技术的进一步发展，高镍811体系也有可能实现高电压下的应用。

2.3 动力电池无钴化——磷酸铁锂和高镍无钴正极

在电芯成本快速下降的迫切压力下，车企和锂电池企业寻求成本更低的材料体系，同时改良电池成组技术，降低在模组和电池包方面的空间和零部件损耗，进一步扩大了磷酸鐵锂电芯的应用场景。

磷酸铁锂体系动力电池的主要生产和应用都在中国，但由于能量密度低，在乘用车上的应用受到制约。此次比亚迪在模组集成技术上获得突破，采用刀片电池技术，使得“汉”纯电动车续航里程超过600km。磷酸铁锂电池由于安全性好、成本低，成为中国车企中低端车型的主要选择。磷酸铁锂未来对三元体系锂电池的冲击不容忽视。

由于钴价的昂贵和高幅波动，降低三元正极材料中的钴含量甚至开发无钴材料是目前正极材料的研发趋势。比如镍锰酸锂、镍镁酸锂、镍铝酸锂等二元体系的正极材料，二元正极材料的技术瓶颈在于比容量和循环性能。但随着车企和动力电池企业对于正极材料无钴化呼声愈演愈烈，特斯拉Elon Musk指出Tesla所用电池中三元材料的钴含量已经小于3%，预计下一代电池中将不含钴。长城汽车下属蜂巢能源电池也推出了无钴材料和四元材料。未来高端电动车型上采用低钴化正极材料的趋势越来越明晰。

3 未来钴应用前景展望

3.1 作为电池正极材料的添加剂

高镍NCM/NCA材料能量密度高，是高端电动汽车动力锂电池的首选正极材料。高镍三元材料未来发展的最大隐患是安全问题，若解决了高镍三元材料电池的安全问题，电动车的续航里程还可以进一步提升，甚至高镍三元材料也可以应用高电压体系，并可以采用锂电池CTP集成方案，未来高镍三元电池电动车实际续航里程可能达到800～1000km，届时可能开启电动汽车大规模替代油车的大幕。可以预期高镍三元材料未来在固态锂电池中也会发挥重要作用。目前高镍NCM的镍（Ni）比例已经开始向Ni90%～Ni95%发展，钴（Co）在高镍NCM中的比例已经逐步下降至5%以下，未来有可能相当于添加剂的分量。

3.2 高电压材料进一步发展，中镍三元生命周期仍较长

高电压多元材料可以提高材料能量密度，一方面能够提高电池的实际使用电压，另一更重要的方面是也能够脱出更多的锂离子，增加容量。多元材料如N C M622体系在提高工作电压后比容量可以达到或接近N C M811的水平。以前市场上普遍使用的二次颗粒结构的三元材料不适合于高电压体系使用，单晶型三元正极材料在高电压下表现出优异的电化学性能，尤其是在高温循环、存储、胀气和阻抗增加方面优势十分明显。单晶型高电压5系、6系三元材料已经广泛应用到动力锂电池上，单晶型高电压 7系三元材料也到即将大规模批量应用。

同时在中镍的高电压单晶体系中，不断出现偏比例的低钴材料的身影，比如目前国内一些锂电巨头采用的Ni55Co15锰（Mn）30；Ni56Co12Mn3 2；Ni60Co10Mn30；Ni65Co07Mn28，等等，从量产品来看，中镍产品中钴的比例也在不断下降，未来趋势和高镍三元材料一样，钴逐渐成为锂电正极多元材料的添加剂。如果钴价能够稳定在15美元/磅以下，中镍高电压三元材料综合性能较好，其产品仍会有一定的生命周期。

3.3 钴产业循环回收可提升钴供应量，促进可持续发展

全球鎳钴资源有限，未来电动汽车普及对镍钴资源的需求不断扩大，为了三元材料电动汽车的可持续发展，三元电池的低成本清洁回收至关重要。对已经报废的动力电池进行破碎、拆解和冶炼等，实现镍、钴、锰、锂等资源的回收利用，通过资源化回收，镍、钴、锰等金属元素可实现95%以上的再利用，经济效益显著。产出的镍、钴、锰及锂盐，可用于生产三元前驱体和正极材料，进一步用于锂电池电芯的制造。退役三元电池的正极材料中的有价金属可再次用于三元正极材料的制造，部分满足未来对于动力电池制造的需求，减少对于国外原材料进口的依赖，帮助企业控制原材料成本上涨带来的不利影响。随着产业链的管理更加细化，三元电池和磷铁电池其退役残值也会有较明显不同，如果回收规模能够做大，在一定程度上也能降低整个产业链的成本。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.03.013