磷酸鐵鋰電池將要迎來(lái)最大變革!
日前，有媒體報(bào)道稱，寧德時(shí)代將會(huì)在今年第四季度向特斯拉供應(yīng)最新的產(chǎn)品M3P電池，將會(huì)搭載到Model Y車型上。而這款車會(huì)在明年初上市。
寧德時(shí)代雖然沒有明確說(shuō)明白M3P電池是何種電池，但由于M是錳元素的化學(xué)代號(hào)，再加上馬斯克此前多次公開談到錳電池，因此不少人推測(cè)M3P電池就是磷酸錳鐵鋰電池。
而隨著寧德時(shí)代和特斯拉的同時(shí)押寶，磷酸錳鐵鋰電池再次成為動(dòng)力電池行業(yè)熱門話題。目前國(guó)內(nèi)幾乎所有的動(dòng)力電池廠商都在研究磷酸錳鐵鋰電池。
顧名思義，這種電池是磷酸鐵鋰電池的升級(jí)版本，在原來(lái)的正極材料加入一定的錳元素，使之成為磷酸錳鐵鋰電池。
與磷酸鐵鋰電池相比，磷酸錳鐵鋰電池的能量密度可以提升15～20%左右，單體能量密度可以達(dá)到200Wh/kg以上，甚至可以和部分三元鋰電池媲美。
此外，磷酸錳鐵鋰電池的低溫性能也會(huì)有明顯的提升。更重要的是，磷酸錳鐵鋰電池的安全性、循環(huán)壽命和磷酸鐵鋰電池非常接近。
也就是說(shuō)，磷酸錳鐵鋰電池繼承了磷酸鐵鋰電池安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)了磷酸鐵鋰電池能量密度低，低溫性能差的缺點(diǎn)。
因此，磷酸錳鐵鋰電池似乎是磷酸鐵鋰電池最好的替代品。
隨著車企對(duì)于電動(dòng)汽車安全性的要求越來(lái)越高，磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量已經(jīng)超過(guò)了三元鋰電池。這也意味著磷酸錳鐵鋰電池將會(huì)擁有非常廣闊的市場(chǎng)空間。
那么，這種電池的性能為何會(huì)有明顯提升?是否還存在一定的技術(shù)難點(diǎn)?目前量產(chǎn)進(jìn)度如何?
寧德時(shí)代下場(chǎng)搞 特斯拉明年就將裝車
雖然因?yàn)楣┴浱厮估?，寧德時(shí)代M3P電池再次走入大眾視線，但其實(shí)在今年2月份的時(shí)候，寧德時(shí)代的M3P電池就首次出現(xiàn)在公眾視野中了。
▲寧德時(shí)代此前曾預(yù)告M3P電池(圖源網(wǎng)絡(luò))
當(dāng)時(shí)大家從電池的命名方式猜測(cè)，M3P電池或許就是磷酸錳鐵鋰電池。
不過(guò)，寧德時(shí)代方面則表示：“M3P是基于新型材料體系研發(fā)的電池，準(zhǔn)確說(shuō)來(lái)不是磷酸錳鐵鋰，還包含其他金屬元素，公司稱之為磷酸鹽體系的三元。新電池的能量密度高于磷酸鐵鋰，但成本比三元鋰更低”。
從寧德時(shí)代的描述來(lái)看，M3P電池是在原有的電池化學(xué)體系上，添加了一些錳元素和其他的金屬元素，是一種進(jìn)一步優(yōu)化的磷酸錳鐵鋰電池。
雖然具體做法上存在一定的差別，但整體思路也是往動(dòng)力電池材料體系內(nèi)加入更多的錳元素。
在今年的世界動(dòng)力電池大會(huì)上，寧德時(shí)代方面表示M3P電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，預(yù)計(jì)在明年推向市場(chǎng)應(yīng)用，而結(jié)合此前的報(bào)道來(lái)看，首批裝車的車型應(yīng)該就是特斯拉Model Y。
▲特斯拉Model Y
特斯拉之所以會(huì)選擇采用這種新電池，主要跟其對(duì)于這一技術(shù)思路的認(rèn)可有關(guān)。
在電池方面，馬斯克曾多次強(qiáng)調(diào)，電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池的大規(guī)模生產(chǎn)需要數(shù)千萬(wàn)噸材料，甚至數(shù)億噸電池材料，因此，這些電池原材料必須是隨處可見的普通材料，否則就無(wú)法進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。
而全球錳礦資源非常豐富，恰好符合馬斯克所說(shuō)的隨處可見且普通。
因此，馬斯克曾經(jīng)多次談及錳元素。在2020年的電池日活動(dòng)上，馬斯克就表示對(duì)錳金屬感興趣。
今年1月份的時(shí)候，馬斯克還發(fā)表推特表示，錳可以替代鐵和磷，因?yàn)殄i需要更少的鋰元素，還可以在更高的電壓下工作。
而特斯拉柏林工廠開幕的時(shí)候，馬斯克在被提問(wèn)到“ 石墨烯電池 ” 時(shí)，曾坦言由于石墨烯電池存在制造的復(fù)雜性，他對(duì)此持懷疑態(tài)度。緊接著他表示，特斯拉正在用更多的材料制造電池，其中著重提到了錳基陰極電池的化學(xué)潛力。
▲馬斯克在柏林工廠開幕式上發(fā)表演講
從馬斯克過(guò)往的言論中也不難發(fā)現(xiàn)，特斯拉對(duì)于錳元素在電池中的作用非?？春?，很早就開始嘗試將其產(chǎn)業(yè)化了。
目前寧德時(shí)代含有錳元素的動(dòng)力電池已經(jīng)走到了大規(guī)模量產(chǎn)的前夜，同時(shí)寧德時(shí)代作為特斯拉在國(guó)內(nèi)的動(dòng)力電池供應(yīng)商之一，向特斯拉提供這種電池也就不奇怪了。
也正因?yàn)閷幍聲r(shí)代和特斯拉的共同選擇，另一種含錳元素的磷酸錳鐵鋰電池也開始走向大眾視野中。
磷酸鐵電池迎來(lái)改革 能量密度進(jìn)一步提升
磷酸錳鐵鋰電池，顧名思義就是在磷酸鐵鋰電池的正極材料基礎(chǔ)上加入錳元素，從而獲得一種新型動(dòng)力電池。
這種電池雖然在最近一段時(shí)間才走入到大眾的視野中，但其誕生的時(shí)間卻并非現(xiàn)在。
從專利申請(qǐng)的情況來(lái)看，早在2005年開始就零星有關(guān)于磷酸錳鐵鋰電池的專利申請(qǐng)，此后也一直有相關(guān)專利申請(qǐng)。
▲國(guó)家專利局相關(guān)專利情況
而在具體的產(chǎn)業(yè)化方面，比亞迪在2013年開始了研究，在2014年的“2014中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)三基工程工作會(huì)議”中，王傳福就曾提到其找到了新的技術(shù)方向，即為磷酸錳鐵鋰電池(LMFP)。
甚至在2015年，工信部目錄中出現(xiàn)的新款e6車型就搭載了磷酸錳鐵鋰電池。
由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件并不成熟，再加上三元鋰電池逐步崛起成為主流的動(dòng)力電池，有消息稱比亞迪在2016年就終止了相關(guān)研究。
由此可見，磷酸錳鐵鋰電池并不算是一項(xiàng)新技術(shù)。
目前磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量超過(guò)了三元鋰電池，公開數(shù)據(jù)顯示，上半年磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量達(dá)到了64.4GWh，占比58.5%;三元鋰電池的裝車量達(dá)45.6GWh，占比41.4%。
可以說(shuō)，磷酸鐵鋰電池又迎來(lái)了春天。
但目前磷酸鐵鋰電池的能量密度已經(jīng)接近天花板，在原有的化學(xué)體系上很難再做進(jìn)一步的提升。而磷酸錳鐵鋰電池就是一個(gè)不錯(cuò)的發(fā)展方向。
與磷酸鐵鋰電池相比，磷酸錳鐵鋰電池有兩大優(yōu)勢(shì)。
首先就是磷酸錳鐵鋰電池的能量密度會(huì)有顯著的提升。國(guó)海證券研究顯示，磷酸錳鐵鋰的電壓平臺(tái)為4.1V，而磷酸鐵鋰電池電壓平臺(tái)為3.4V，根據(jù)能量密度=克容量*電壓的計(jì)算公式，磷酸錳鐵鋰電池的能量密度最多可以提升20%左右。
現(xiàn)階段比亞迪刀片電池的單體能量密度在160Wh/kg左右，系統(tǒng)能量密度為140Wh/kg左右，搭載了刀片電池之后，比亞迪漢EV在NEDC工況下，最高續(xù)航可以達(dá)到605公里。
而磷酸錳鐵鋰電池的單體能量密度預(yù)計(jì)可以達(dá)到200Wh/kg以上，和NCM523三元鋰電池的單體能量密度接近。NCM523的單體能量密度為180～210Wh/kg，系統(tǒng)能量密度可以達(dá)到161Wh/kg以上，也可以讓電動(dòng)汽車的續(xù)航輕松突破600公里。
目前榮威ER6、幾何A Pro，甚至目前非常火熱的極氪001都有采用NCM523的版本，其續(xù)航也基本都在600公里以上。
這主要是因?yàn)殄i元素的加入使得電壓平臺(tái)提高，從而提升了能量密度，彌補(bǔ)了磷酸鐵鋰電池能量密度低的短板。
另一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)則是低溫性能好。國(guó)海證券研究顯示，錳酸鐵鋰電池在-20℃下容量保持率能夠達(dá)到約75%，而磷酸鐵鋰的容量保持率為60%-70%。
▲磷酸錳鐵鋰電池低溫性能更加突出(圖源國(guó)海證券)
這也意味著在同樣的低溫性能下，磷酸錳鐵鋰電池的帶電量更大，因而其低溫性能會(huì)更加優(yōu)秀。
而這主要是因?yàn)榱姿徨i鐵鋰的一次顆粒小于磷酸鐵鋰，因而鋰離子的運(yùn)輸路徑更短。
另外，磷酸錳鐵鋰電池的安全性和循環(huán)性能也可以和磷酸鐵鋰電池比肩。磷酸錳鐵鋰電池也屬于橄欖石結(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要強(qiáng)于三元鋰電池的層狀氧化物結(jié)構(gòu)。
而錳元素是一種導(dǎo)電性非常差的金屬元素，鋰離子在電池中進(jìn)行充放電動(dòng)作并不會(huì)影響到錳元素，所以其安全性可以得到保證。
整體來(lái)看，磷酸錳鐵鋰電池彌補(bǔ)了磷酸鐵鋰電池能量密度低、低溫性能差的缺點(diǎn)，但安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)又得到了繼承。毫不夸張的說(shuō)，磷酸錳鐵鋰電池就是磷酸鐵鋰電池的升級(jí)版。
即使與三元鋰電池相比，磷酸錳鐵鋰電池也具備安全性高、成本低的優(yōu)勢(shì)。因此，一旦這種電池實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，或許將會(huì)快速占領(lǐng)市場(chǎng)。
仍存在一定缺點(diǎn) 可與三元材料搭配使用
但磷酸錳鐵鋰電池也并非完美無(wú)缺的產(chǎn)品，否則也不可能直到今天還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。在目前的技術(shù)條件下，磷酸錳鐵鋰電池也存在多個(gè)顯著的問(wèn)題。
國(guó)海證券報(bào)告顯示，磷酸錳鐵鋰的雙電壓平臺(tái)不穩(wěn)定，磷酸錳鐵鋰電池?fù)碛绣i鐵兩個(gè)電壓平臺(tái)，錳的電壓平臺(tái)高于鐵，因此在錳與鐵的氧化還原方面、電壓切換方面都會(huì)比較困難，這也導(dǎo)致后期電池的BMS比較困難。
其次這種電池的電導(dǎo)率也比較低，電子在磷酸錳鐵鋰躍遷能系遠(yuǎn)高于磷酸鐵鋰，導(dǎo)致電導(dǎo)率比較低，如果做一個(gè)比喻的話，磷酸鐵鋰可以類比為半導(dǎo)體，而磷酸錳鐵鋰則類似于絕緣體，而磷酸錳鐵鋰正極材料的加工難度也要比磷酸鐵鋰更高。
另外錳離子在姜-泰勒效應(yīng)下會(huì)導(dǎo)致錳溶出，在負(fù)極表面沉積，最終破壞SEI膜(液態(tài)鋰離子電池首次充放電過(guò)程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層)，影響到電池的安全性。
而這些因素也一直是磷酸錳鐵鋰電池沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的原因。
不過(guò)，現(xiàn)階段電池企業(yè)對(duì)于磷酸錳鐵鋰電池的重視程度正在不斷提升，頭部企業(yè)正在逐步破解這些問(wèn)題，主要的改性方法有納米化、碳包覆、金屬離子摻雜、與三元材料復(fù)用，且可同時(shí)使用以上多種方法。
納米化原理為將顆?？s小至納米尺寸后可以減少鋰離子在正極活性物質(zhì)顆粒內(nèi)部的擴(kuò)散路徑，以便高效脫嵌，提高對(duì)應(yīng)電池的倍率性能，也能提高活性顆粒的比表面積，提高與電解液的反應(yīng)，以使性能得到提升。
▲納米棒狀錳鐵鋰結(jié)構(gòu)(圖源國(guó)海證券)
碳包覆則是通過(guò)導(dǎo)電碳和磷酸錳鐵鋰構(gòu)建快速導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使電子在充放電過(guò)程中可以在活性物質(zhì)之間迅速遷移，降低電池的內(nèi)阻和充放電極化。而碳包覆也可以避免與電解液產(chǎn)生副反應(yīng)，改善其高溫性能和循環(huán)性能。
金屬離子摻雜是從晶格內(nèi)部改變材料的導(dǎo)電性和離子擴(kuò)散性，摻雜離子可使晶格產(chǎn)生缺陷，并可抑制姜-泰勒效應(yīng)，從而提高材料性能。
比較有意思的一點(diǎn)是，磷酸錳鐵鋰電池還可以和三元材料進(jìn)行復(fù)配，通過(guò)磷酸錳鐵鋰包覆三元材料，復(fù)合材料兼具磷酸錳鐵鋰的低成本、高安全性以及三元材料的高能量密度的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電池?fù)碛袃?yōu)異的循環(huán)性能。
▲復(fù)合材料電池安全性更好(圖源國(guó)海證券)
例如磷酸錳鐵鋰復(fù)合80%的三元523材料后，電池能量密度沒有明顯變化，但其安全性能得到了明顯的提升，同時(shí)成本也會(huì)較三元體系更低。
而按照寧德時(shí)代的說(shuō)法，其M3P電池“還包含其他金屬元素，公司稱之為磷酸鹽體系的三元”，從這點(diǎn)來(lái)看，該電池或許就采用了復(fù)合材料。
雖然磷酸錳鐵鋰電池存在一定的問(wèn)題，但目前已經(jīng)有了較為有效的解決方式，已經(jīng)站到了量產(chǎn)的大門前。
電池企業(yè)材料商已經(jīng)布局 即將大規(guī)模生產(chǎn)
目前已經(jīng)有越來(lái)越多的電池企業(yè)開始參與到磷酸錳鐵鋰電池的研發(fā)中了。
除了上面提到的寧德時(shí)代，有市場(chǎng)消息稱，比亞迪旗下的弗迪電池在今年初小批量采購(gòu)磷酸錳鐵鋰材料，正在進(jìn)行內(nèi)部研發(fā)。
7月13日，比亞迪方面也就“研發(fā)磷酸錳鐵鋰電池”的傳聞進(jìn)行了回應(yīng)，表示“關(guān)于電池的各種材料，都會(huì)有研究。”
比亞迪的回應(yīng)也算是證實(shí)了其內(nèi)部正在對(duì)這種電池進(jìn)行研發(fā)。
此外，消息人士稱，國(guó)軒高科已經(jīng)在錳基電池方面深耕多年，已經(jīng)獲得了多項(xiàng)專利和新產(chǎn)品證書。
媒體報(bào)道稱，欣旺達(dá)、億緯鋰能的磷酸錳鐵鋰電池已經(jīng)在今年上半年通過(guò)了電池中試環(huán)節(jié)，正在送樣品給車企測(cè)試。
車東西此前也曾聯(lián)系中創(chuàng)新航方面，得到的回復(fù)為：年內(nèi)也會(huì)有關(guān)于磷酸錳鐵鋰電池的發(fā)布。
整體上來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)主要的動(dòng)力電池廠商都已經(jīng)進(jìn)行了磷酸錳鐵鋰電池的布局。而該化學(xué)體系的電池此前已經(jīng)在兩輪電動(dòng)汽車方面實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，車用電池也已經(jīng)在進(jìn)行樣品測(cè)試了。
據(jù)了解生產(chǎn)磷酸錳鐵鋰電池與生產(chǎn)磷酸鐵鋰電池的生產(chǎn)設(shè)備變動(dòng)較小，無(wú)需重建產(chǎn)線，變動(dòng)成本低。也就是說(shuō)，一旦樣品測(cè)試通過(guò)，或許很快就將實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。
而正極材料廠商如德方納米、力泰鋰能、容百科技、當(dāng)升科技等都已經(jīng)完成了磷酸錳鐵鋰材料的開發(fā)，都已經(jīng)規(guī)劃了一定的產(chǎn)能。
按照目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，到2023年，磷酸錳鐵鋰電池將會(huì)快速上量，未來(lái)或許會(huì)完全替代磷酸鐵鋰電池。
結(jié)語(yǔ)：動(dòng)力電池技術(shù)仍在持續(xù)進(jìn)步
在電動(dòng)化時(shí)代，動(dòng)力電池已經(jīng)成為最核心的零部件了，而在動(dòng)力電池領(lǐng)域內(nèi)也在發(fā)生一定的變化。
在過(guò)去的幾年內(nèi)，由于補(bǔ)貼政策的作用和車企消費(fèi)者對(duì)于續(xù)航里程的追求，三元鋰電池迅速成為主流，而最近兩年，隨著公眾對(duì)于安全性的重視和對(duì)成本的考慮，磷酸鐵鋰電池又開始快速占領(lǐng)市場(chǎng)。
但整體上來(lái)看，現(xiàn)階段主流的電池技術(shù)路線只有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，并且這兩條路徑還在持續(xù)發(fā)展，在三元體系方面陸續(xù)出現(xiàn)了5系三元鋰、6系三元鋰、8系三元鋰等，并且還在持續(xù)更新。
而在磷酸鐵鋰方面，此前多集中在封裝方式的變化，如刀片電池等，而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，研發(fā)人員也開始在化學(xué)體系方面發(fā)力，開始研發(fā)磷酸錳鐵鋰電池。
從這點(diǎn)來(lái)看，雖然動(dòng)力電池行業(yè)現(xiàn)階段出現(xiàn)了瓶頸，但卻從未止步，因此未來(lái)或許也會(huì)有更好的動(dòng)力電池產(chǎn)品出現(xiàn)。
