專題
[摘要]補(bǔ)貼退坡、上游原材料價(jià)格飛漲也迫使汽車廠商考慮是否還要執(zhí)著于三元電池。而這也給磷酸鐵鋰電池的發(fā)展提供了更大空間，同時(shí)使得比磷酸鐵鋰電池更具優(yōu)勢(shì)的磷酸錳鐵鋰電池受到大家追捧。
截至目前，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池仍然牢牢把控著電池行業(yè)市場(chǎng)。從2022年上半年的裝機(jī)量數(shù)據(jù)來看，上述兩類電池在產(chǎn)銷量及裝機(jī)量上基本保持四六開的市場(chǎng)份額。今年上半年國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池累計(jì)裝車量達(dá)110.1GWh。其中三元電池累計(jì)裝車量達(dá)45.6GWh，市場(chǎng)占比41.4%，磷酸鐵鋰電池裝車量64.4GWh，市場(chǎng)份額58.5%，其他電池市場(chǎng)份額較少。
可見在綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)成本等因素的行業(yè)背景下，磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量占比正在不斷攀升。而在同樣炙手可熱的儲(chǔ)能領(lǐng)域，近期國(guó)家能源局在其公布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》中明確提到：中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池及鈉硫電池，磷酸鐵鋰電池則不受影響。此消彼長(zhǎng)下，磷酸鐵鋰電池迎來巨大的市場(chǎng)機(jī)遇。
誠(chéng)然與三元鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池不僅市場(chǎng)份額在持續(xù)擴(kuò)大，而且其未來的市場(chǎng)前景也更加被看好。但不可否認(rèn)的是，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的日漸成熟，其理論能量密度也在不斷地接近極限。據(jù)工信部官網(wǎng)發(fā)布的新能源推廣應(yīng)用推薦車型目錄信息顯示，2022年磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的最大能量密度為161.3Wh/kg，這意味著近兩年來幾乎沒有變化。
在這種情況下，誰能率先掌握提升磷酸鐵鋰電池能量密度的技術(shù)，也就主導(dǎo)了動(dòng)力電池行業(yè)的發(fā)展方向，于是磷酸錳鐵鋰電池成為電池企業(yè)追捧的對(duì)象。顧名思義，磷酸錳鐵鋰電池即是在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上增加了錳元素，不僅安全性好，能量密度也有大幅提升。有媒體報(bào)道稱，目前部分電池企業(yè)磷酸錳鐵鋰電池已通過中試環(huán)節(jié)，并計(jì)劃寄樣給車企測(cè)試。
磷酸錳鐵鋰諸多優(yōu)勢(shì)在身
事實(shí)上，磷酸鐵鋰電池份額之所以比三元電池要大，主要是其具有穩(wěn)定性好、安全性高以及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而磷酸錳鐵鋰則是磷酸鐵鋰的升級(jí)版，是在磷酸鐵鋰基礎(chǔ)上添加錳元素而獲得的新型正極材料。相對(duì)于磷酸鐵鋰，磷酸錳鐵鋰擁有更高的電壓平臺(tái)，理論上能量密度更高，低溫性能也比磷酸鐵鋰更好，而在安全性方面與磷酸鐵鋰平分秋色。
具體從能量密度來看，相比鐵元素錳元素可以為動(dòng)力電池提供更高的電壓平臺(tái)，通常磷酸錳鐵鋰電池的電壓可以達(dá)到4.1V，而磷酸鐵鋰電池只能達(dá)到3.4V。單從理論上來說，在擁有電壓優(yōu)勢(shì)的情況下，磷酸錳鐵鋰電池的充放電功率會(huì)更好。根據(jù)“電池能量密度=放電倍率×放電平臺(tái)/電池質(zhì)量”的公式來計(jì)算，磷酸錳鐵鋰電池能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能量密度。
數(shù)據(jù)顯示，磷酸錳鐵鋰電池的能量密度極限可達(dá)到230wh/kg，與磷酸鐵鋰電池的能量密度相比，前者密度將高于后者15%-20%，因此續(xù)航能力有望突破上限，甚至能夠與NCM523三元鋰池的能量密度“掰掰手腕”。因此等到磷酸錳鐵鋰電池規(guī)模量產(chǎn)之后，在部分對(duì)于續(xù)駛里程要求較高的新能源車領(lǐng)域，磷酸錳鐵鋰電池有望實(shí)現(xiàn)對(duì)三元電池的部分替代。
同時(shí)磷酸錳鐵鋰電池具備更好的低溫性能。此前磷酸鐵鋰電池因低溫性能差，從而導(dǎo)致續(xù)航里程大打折扣被消費(fèi)者詬病。而磷酸錳鐵鋰電池在-20℃的低溫環(huán)境下，容量保持率依然能夠保持在75%以上，而磷酸鐵鋰的容量保持率在60%-70%。根據(jù)天能股份應(yīng)用在小牛電動(dòng)車F0系列上的產(chǎn)品參數(shù)顯示，磷酸錳鐵鋰電池在低溫環(huán)境下續(xù)航里程可提升25%。
而在安全性方面，相較于三元材料的層狀結(jié)構(gòu)，磷酸鐵鋰橄欖石型結(jié)構(gòu)因?yàn)轭~外增加了結(jié)構(gòu)支撐，因此充放電過程中不易發(fā)生結(jié)構(gòu)崩塌，不僅熱穩(wěn)定性好、安全性高，而且使用壽命更長(zhǎng)。和磷酸鐵鋰電池類似，磷酸錳鐵鋰電池同樣屬于橄欖石型結(jié)構(gòu)，充放電時(shí)結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。因此可以說，磷酸錳鐵鋰電池在某種意義上實(shí)現(xiàn)了能量密度與安全性的平衡。
值得注意的是，磷酸錳鐵鋰電池還具備明顯的成本優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槿蝈i礦資源豐富，磷酸錳鐵鋰電池的成本較磷酸鐵鋰僅增加5%-10%左右。如果從單瓦時(shí)能量密度的角度來看，在整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的裝機(jī)成本上，磷酸錳鐵鋰電池還要略低于磷酸鐵鋰電池，并且大幅低于三元電池。而這對(duì)當(dāng)下亟待解決成本壓力的電池企業(yè)來說，無疑具有巨大的誘惑力。
除此之外國(guó)金證券還表示，生產(chǎn)磷酸錳鐵鋰電池在切換成生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備時(shí)變動(dòng)較小，無需重建產(chǎn)線，設(shè)備變動(dòng)成本低，符合經(jīng)濟(jì)性。海通國(guó)際則認(rèn)為，磷酸錳鐵鋰與三元523、LCO等材料進(jìn)行復(fù)合，可以更好地綜合材料優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)短板互補(bǔ)，在提升能量密度的同時(shí)，擁有更高安全性及更好的低溫性，從而實(shí)現(xiàn)更全面、綜合的電池性能。
電池、材料企業(yè)積極跟進(jìn)
寧德時(shí)代早在2015年就申請(qǐng)了“磷酸錳鐵鋰引入第三方元素方法改性”的專利。去年11月寧德時(shí)代又斥資4.1億元成為江蘇力泰鋰能的最大股東。公開信息顯示，力泰鋰能成立于2010年，公司主打產(chǎn)品為磷酸錳鐵鋰正極材料，擁有2000噸磷酸錳鐵鋰產(chǎn)線。根據(jù)當(dāng)時(shí)規(guī)劃，2021年9月至2022年3月期間公司新增建設(shè)年產(chǎn)3000噸磷酸錳鐵鋰設(shè)備。
今年7月有媒體報(bào)道，寧德時(shí)代磷酸錳鐵鋰電池已于今年上半年通過電池中試環(huán)節(jié)，正在給車企寄送樣品用于測(cè)試。7月22日，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱表示，公司M3P電池已經(jīng)量產(chǎn)，明年將推向市場(chǎng)。據(jù)了解，M3P電池是寧德時(shí)代基于新型材料體系研發(fā)電池，其能量密度高于磷酸鐵鋰，成本優(yōu)于三元。外界猜測(cè)，M3P電池可能就是磷酸錳鐵鋰電池。
不過根據(jù)目前掌握的消息，寧德時(shí)代旗下最新的M3P電池，準(zhǔn)確來說并不是傳統(tǒng)意義上的磷酸錳鐵鋰電池配方，而是同時(shí)含有其他金屬元素的電池組，被稱為磷酸鹽體系三元電池組，其最大的優(yōu)勢(shì)是成本比三元電池低，更利于廠家和消費(fèi)者降低生產(chǎn)和購(gòu)買成本。但是盡管如此，依舊有消息傳出，寧德時(shí)代的磷酸錳鐵鋰電池將于今年下半年正式量產(chǎn)。
作為磷酸鐵鋰電池的堅(jiān)定支持者比亞迪，其實(shí)很早就對(duì)磷酸錳鐵鋰電池進(jìn)行了布局。據(jù)悉比亞迪在2013年就開始了對(duì)磷酸錳鐵鋰的探究和研發(fā)。比亞迪曾公開表示：磷酸錳鐵鋰為公司新的技術(shù)路線，此前各廠商紛紛擁抱三元高容量材料，該路線并沒有成為主流。但公司仍然在持續(xù)推進(jìn)，積極進(jìn)行相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，近幾年來已在該領(lǐng)域布局專利十余項(xiàng)。
此前有市場(chǎng)消息稱，比亞迪旗下弗迪電池在今年初開始小批量采購(gòu)磷酸錳鐵鋰材料，目前處于內(nèi)部研發(fā)階段。近日比亞迪官方就“研發(fā)磷酸錳鐵鋰電池”傳聞回復(fù)稱：目前尚沒有該方面的消息，但電池的各種材料公司都會(huì)有研究。但是外界猜測(cè)，倘若寧德時(shí)代磷酸錳鐵鋰電池正式量產(chǎn)，勢(shì)必會(huì)給比亞迪帶來較大的壓力，相信將會(huì)推動(dòng)其量產(chǎn)的進(jìn)程。
其他電池企業(yè)方面，2019年由國(guó)軒高科自主研發(fā)的方形磷酸錳鐵鋰電池獲得了“安徽省新產(chǎn)品”的榮譽(yù)稱號(hào)。近日國(guó)軒高科工作人員表示，公司在磷酸錳鐵鋰方面有相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備和專利，即將進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化布局；欣旺達(dá)及億緯鋰能磷酸錳鐵鋰電池已通過中試環(huán)節(jié)；星恒電源已擁有多條磷酸錳鐵鋰電池生產(chǎn)線；天能曾公開表示具備磷酸錳鐵鋰生產(chǎn)能力。
值得注意的是，憑借4680大圓柱電池在行業(yè)內(nèi)賺足關(guān)注度的特斯拉，似乎對(duì)錳基電池的興趣也在與日俱增。6月份有消息稱，特斯拉將在今年推出72度磷酸錳鐵鋰車型，預(yù)計(jì)明年上市。雖然該消息尚未得到特斯拉方面的正式回應(yīng)。不過從之前特斯拉CEO馬斯克的表態(tài)來看，這也并非不可能之事，因?yàn)樘厮估榜R斯克均對(duì)錳鐵鋰電池的前景十分看好。
早在2020年的特斯拉電池日上，特斯拉曾表示作為計(jì)劃使用鎳錳電池。馬斯克表示，用三分之二的鎳混合三分之一的錳制造負(fù)極，這使我們可以在使用同等數(shù)量的鎳的情況下可以增加50%以上的電池容量。今年3月，在特斯拉柏林工廠實(shí)現(xiàn)交付后馬斯克又表示，我認(rèn)為錳具有很大的潛力，因此磷酸錳鐵鋰電池極有希望出現(xiàn)在特斯拉標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航車輛中。
截至目前，雖然電池企業(yè)還沒有給出量產(chǎn)的時(shí)間，但相關(guān)材料企業(yè)早已聞風(fēng)而動(dòng)。包括陶氏化學(xué)、德方納米、當(dāng)升科技、鵬欣資源、天津斯特蘭等正極廠商均對(duì)錳鐵鋰產(chǎn)品有所布局。其中德方納米是磷酸錳鐵鋰專利布局最多的企業(yè)。據(jù)了解，其相關(guān)產(chǎn)品已送樣給下游企業(yè)并獲得高度認(rèn)可，并布局了44萬噸產(chǎn)能，其中11 萬噸預(yù)計(jì)在2022年底投產(chǎn)。
當(dāng)升科技正在針對(duì)電動(dòng)車和高端儲(chǔ)能市場(chǎng)專項(xiàng)開發(fā)高性能的磷酸錳鐵鋰材料；常州鋰源將為星恒提供磷酸錳鐵鋰產(chǎn)品；力泰鋰能已具備2000噸年磷酸錳鐵鋰年產(chǎn)能；江蘇珩創(chuàng)納米年產(chǎn)5000噸磷酸錳鐵鋰正極材料項(xiàng)目已落地江蘇鹽城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)；合縱科技已于去年展開磷酸錳鐵鋰前驅(qū)體產(chǎn)品研發(fā)，目前已完成多型號(hào)磷酸錳鐵鋰前驅(qū)體產(chǎn)品中試等。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，目前主流動(dòng)力電池企業(yè)已經(jīng)開始積極布局磷酸錳鐵鋰電池，就像當(dāng)初4680電池從提出到上量只需經(jīng)歷兩年時(shí)間那樣。隨著電池企業(yè)技術(shù)升級(jí)，供應(yīng)鏈完善，磷酸錳鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)化加速，或許將在明年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝機(jī)。同時(shí)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2025年磷酸錳鐵鋰正極材料出貨量將超35萬噸，市場(chǎng)滲透率超過15%，成為主流技術(shù)路線。
產(chǎn)業(yè)化之路任重而道遠(yuǎn)
上述可知，磷酸錳鐵鋰電池并不是新興產(chǎn)物。但是目前磷酸錳鐵鋰電池目前的主要應(yīng)用市場(chǎng)仍然局限在兩輪電動(dòng)車領(lǐng)域，還未真正拓展到電動(dòng)汽車領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，磷酸錳鐵鋰電池使用的是雙電壓平臺(tái)。在使用的過程中，雙電壓平臺(tái)存在不穩(wěn)定性，這主要由于目前技術(shù)還不夠完善，尚未研究明白其中電壓變化機(jī)理所在，成為其規(guī)模推廣的難點(diǎn)。
從材料特性來看，磷酸鐵鋰電池電壓為3.4V，而磷酸鐵錳鋰電池單體電壓達(dá)到4.1V，兩者之間電壓相差0.7V。錳鐵兩種不同元素的組合，雖然提高了電池整體的充放電壓，但同時(shí)也意味著兩種不同的工作電壓狀態(tài)。具體而言，鐵的電壓平臺(tái)低于錳，對(duì)應(yīng)錳與鐵的氧化還原，在3.5V電壓附近Fe2+會(huì)轉(zhuǎn)化為Fe3+；在4.1V附近，Mn2+又會(huì)轉(zhuǎn)化為Mn3+。
如果電動(dòng)車在高速行駛中出現(xiàn)電壓切換情況，車輛就會(huì)出現(xiàn)減少或失去動(dòng)能的情況，這種情況很難通過BMS進(jìn)行處理，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題。若應(yīng)用在兩輪電動(dòng)車上，由于速度不快，通過加強(qiáng)BMS的管理，就可以相對(duì)減少電壓不穩(wěn)定所帶來的影響。早在2015年比亞迪就嘗試將錳與磷酸鐵鋰相結(jié)合，但至今仍未實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)，或是基于這個(gè)原因。
其次磷酸錳鐵鋰相較于三元和磷酸鐵鋰材料，導(dǎo)電性和較差的倍率特性表現(xiàn)較差。錳由于導(dǎo)電性差，極有可能出現(xiàn)極化現(xiàn)象使得放電電壓平臺(tái)縮減，而且錳原子替換鐵原子使原有八面體發(fā)生畸變，在充放電時(shí)不能保持原有形態(tài)，從而損失容量、降低循環(huán)性能。這也就意味著，磷酸錳鐵鋰電池使用頻次越高，電池容量就降低得越快，循環(huán)壽命也越短。
此外磷酸錳鐵鋰電池的制備方法雖然與磷酸鐵鋰相似，但也各有缺點(diǎn)存在。固相法是借助機(jī)械混合破碎實(shí)現(xiàn)原材料的混合，方法簡(jiǎn)單、成本較低，但不能實(shí)現(xiàn)微觀也就是分子級(jí)的完美結(jié)合。液相法則是將原材料全部溶解，能實(shí)現(xiàn)分子級(jí)的結(jié)合，可以有效防止富錳相的聚集，提高材料電化學(xué)性能。不過制程控制難度大，工藝流程相對(duì)復(fù)雜，成本較高。
由于上述難點(diǎn)的存在，磷酸錳鐵鋰電池想要取代磷酸鐵鋰電池，或是取代三元鋰電池的市場(chǎng)份額，依舊還有很長(zhǎng)的路要走。事實(shí)上，業(yè)界當(dāng)前的共識(shí)在于，磷酸錳鐵鋰電池將率先應(yīng)用于兩輪電動(dòng)車，然后與三元鋰電池復(fù)合使用，待相關(guān)技術(shù)成熟之后再在新能源車上獨(dú)立使用。因此在磷酸錳鐵鋰電池未能量產(chǎn)裝車之前，市場(chǎng)前景還存在太多不確定性。
不過東邊日出西邊雨，相對(duì)于電池行業(yè)的理智發(fā)聲，磷酸錳鐵鋰電池二級(jí)市場(chǎng)股市表現(xiàn)卻是異常熱鬧。錳礦供應(yīng)商、電池廠商、正極材料生產(chǎn)公司等，紛紛開啟漲漲漲模式，就連初創(chuàng)企業(yè)也受到資本的青睞。近日江蘇珩創(chuàng)納米科技有限公司稱已順利完成逾億元人民幣融資。而這家涉足磷酸錳鐵鋰電池正極材料研發(fā)及生產(chǎn)的企業(yè)，成立時(shí)間才幾個(gè)月。
新能源車事故頻發(fā)讓大家不得不再次審視電池安全的重要性；同時(shí)補(bǔ)貼退坡、上游原材料價(jià)格飛漲也迫使汽車廠商考慮是否還要執(zhí)著于三元電池。而這也給磷酸鐵鋰電池的發(fā)展提供了更大空間，但是磷酸鐵鋰電池能量密度已接近理論極值，也使得比磷酸鐵鋰電池更具優(yōu)勢(shì)磷酸錳鐵鋰電池受到大家追捧。至于磷酸錳鐵鋰電池表現(xiàn)如何，我們拭目以待。
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