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【银叶权益笔记】磷酸锰铁锂,新一代正极发展方向

  2022-06-14

磷酸铁锂行业市场快速增长


过去几年新能源车销量在政策补贴与新车型周期双重催化下出现了快速增长趋势,销量由17年77.7万快速提升至21350万辆,与此同时电池技术也在持续更新进步。电池技术提升主要方向和趋势是提升能量密度、低温性能、安全性以及降低成本。电池能量密度主要由正极材料决定,正极材料主要以三元和磷酸铁锂为主,相比三元来看磷酸铁锂具有循环寿命高、安全性强等性能优势,并且因为不含钴、镍等贵金属,在经济性上有较高的优势;缺陷在于能量密度较低、低温性能较差。
不同正极材料性能比较

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料来源:厦钨新能招股说明书

近年来随着补贴退坡,车企相较能量密度开始更加重视经济性,磷酸铁锂电池开始增加在A00级车型上使用比例,另外随着比亚迪通过刀片电池以及宁德时代应用ctp进行结构创新提升成组效率,磷酸铁锂电池在比亚迪与特斯拉等车型上也得以进行使用。
麒麟电池Ctp3.0平台化模块
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料来源:宁德时代公众号

根据高工锂电数据统计21年磷酸铁锂出货量47万吨,同比20年明显增长277%。同时市占率和三元相比也在21年完成了反超,根据动力电池创新联盟数据,21年全年磷酸铁锂装车量79.8gwh占总装车量51.7%,高于三元48.1%,今年1-5月磷酸铁锂装机量48.9gwh,占总装车量比例提升至58.9%
除了乘用车外,磷酸铁锂也更适合应用在储能上面,相比于三元材料来说具备更好安全性以及更高循环寿命,根据高工锂电数据统计,2021年全球储能锂电池出货量70GWh,增长159%,磷酸铁锂路线占比超50%2021年中国储能锂电池出货量48GWh,磷酸铁锂路线占比约98.5% 

磷酸锰铁锂:磷酸铁锂重要升级方向


虽然磷酸铁锂市场在近几年快速提升,不过受制于克容量限制材料能量密度实际提升不明显。2022 年搭载 LFP 电池系统的最大能量密度为 161 Wh/kg,相比于去年并无明显提升;而三元因为目前实际克容量距离理论克容量仍有比较大的距离,因此上升空间更广阔。为了提升磷酸铁锂能量密度,新型锂盐如磷酸锰铁锂成为了重要升级方向。
橄榄石磷酸锰铁锂结构

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来源:《磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电学性能》

能量密度=克容量×电压平台÷体积,从可以看出能量密度在体积一定时只与材料的克容量和电压平台有关,磷酸铁锂材料的电压平台3.4V,克容量目前做到接近160mAh/g,已经接近170mAh/g理论极限。磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂通过添加锰元素可以提升电压平台至4.1V,凭借相同的理论比容量可以提升15-20%的能量密度。
磷酸锰铁锂与磷酸铁锂性能比较

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资料来源:上海有色网
磷酸锰铁锂与磷酸铁锂电压平台比较
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资料来源:鑫锣锂电
从制备工艺上看磷酸锰铁锂与磷酸铁锂相似,主要是固相法与液相法两种,不过相比磷酸铁锂增加了锰元素,为了提升材料均一性需要在原子级别进行均匀混合,固相法对于两个元素只能在宏观进行混合,微观上均匀混合需要应用液相法或固液相法。
虽然磷酸锰铁锂在能量密度上相较磷酸铁锂有优势,不过在材料实际量产中依然面临双电压及导电性不足等问题,近年来随着研发技术进步这些问题也逐渐得以改善。
(1)双电压问题
由于锰和铁的充放电电压不同,铁的电压平台低于锰,因此LMFP 充放电存在两个电压平台,随着电压切换会提升bms管理难度。
充放电曲线双电压平台
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资料来源:《橄榄石型锂离子电池正极材料的制备技术及电池特性研究》
目前来看双电压平台可以通过导电物包覆以及复合三元方式来解决,由于三元材料与锰铁锂材料电压平台接近,复合后不存在双电压平台问题,当锰铁比合理时磷酸锰铁锂可以与三元材料复合解决。
(2)导电性不足
因为磷酸锰锂电导率和离子迁移率均弱于磷酸铁锂,因此含锰元素磷酸锰铁锂导电性也较差。
目前一方面可以通过添加导电剂后来增加活性物质间的导电接触,另一方面也可以通过碳包覆以及三元混合,通过碳层和颗粒的相互接触提升电子导电性和加快锂离子迁移速度。
应用前景上看目前看受限于量产循环次数不足,磷酸锰铁锂主要在两轮车上进行应用,目标先以ab电池形式与三元混合应用在乘用车上,之后随着循环次数提升可以完全自主上车。
天能生产的磷酸锰铁锂18650电池已经成功应用在小牛的最新款F0系列电动车中,相较前一款产品温环境下续航里程提升25%
搭载磷酸锰铁锂电池小牛F0
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资料来源:小牛官网

产业界中磷酸铁锂龙头德方纳米布局较为积极,从去年9月至今年公告累计规划44产能,另外动力电池龙头宁德时代通过投资力泰锂能进行布局,并且在投资者交流中表示今年计划推出的新产品磷酸盐体系的三元M3P,成本上将较三元下降。
磷酸锰铁锂布局

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资料来源:各公司公告
随着各家材料与电池厂量产及与下游整车厂验证进程加快,预计磷酸锰铁锂未来一方面通过能量密度优势替换现有磷酸铁锂,同时也可以凭借性价比优势抢占三元5系市场,将会为产业链带来新篇章。

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