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磷酸锰铁锂电池:“黑马”冲出 “成绩”待定

责任编辑:白鸽    来源:中青网    发布时间:2023-11-07 18:16   阅读量:5772   

在“卷”而又“卷”的动力电池领域,冲出了一匹“黑马”,那就是磷酸锰铁锂电池。

先是国产特斯拉Model 3改款车型将采用磷酸锰铁锂电池的消息引起热议;后有工信部第374批《道路机动车辆生产企业及产品公告》显示,有4款车型的储能装置采用了“三元锂离子+磷酸锰铁锂电池”的组合。

作为磷酸铁锂电池的“升级版本”,磷酸锰铁锂电池量产装车在即,能否掀起动力电池市场的新风潮?

产业链“抢滩”磷酸锰铁锂

一直以来,新能源汽车产业链上下游企业都在寻求实现动力电池的突破,以提高整车续驶里程和其他性能。磷酸锰铁锂电池上车,无疑是行业又一次的技术新尝试。

记者了解到,无论动力电池企业,还是上游材料供应商,抑或整车制造商都对磷酸锰铁锂电池产生了不小的兴趣。据悉,宁德时代、比亚迪、亿纬锂能、国轩高科、孚能科技、蜂巢能源、瑞浦兰钧、龙蟠科技、星恒电源、德方纳米、当升科技、容百科技等企业都在争相就此开展布局。

根据工信部的企业及产品公告,奇瑞星途星纪元两款车型和智界S7两款车型,使用宁德时代三元锂离子和磷酸锰铁锂电池,也就是备受业界关注的M3P电池。2021年,宁德时代宣布以4.13亿元获得磷酸锰铁锂材料公司力泰锂能15.57%的股权,后者拥有2000吨磷酸锰铁锂生产线。

今年5月,国轩高科发布了采用磷酸锰铁锂技术路线的L600启晨电芯及电池包。据介绍,L600启晨电芯可实现240Wh/kg的能量密度及18分钟的快充,预计2024年量产。

此外,欣旺达在投资者互动平台上表示,公司目前正在进行磷酸锰铁锂电池的开发工作,其电芯的能量密度可达235Wh/kg,整体性能处于行业前列,目前已得到客户的认可,正在进行产业化开发工作。另据券商透露,比亚迪磷酸锰铁锂电池将于2024年上半年发布并实现装车。

东吴证券的研报指出,特斯拉Model 3改款将成为磷酸锰铁锂电池爆发增长的催化剂。特斯拉一度被称为汽车行业的“带货王”,引领了一体化压铸、大圆柱电池等多种新技术应用的潮流。有消息灵通人士透露,66kWh的磷酸锰铁锂电池包,不仅将供改款Model 3配装,还会成为特斯拉的平台方案,也有望被此后的Model Y改款车型采用。

在市场需求的催动之下,材料企业也纷纷入局。今年8月底,龙蟠科技旗下湖北锂源发布了新一代高能量密度的正极材料产品“锰锂1号”。龙蟠科技方面告诉记者,普通的磷酸铁锂电池单体只有3.3V的平均放电电压,而“锰锂1号”利用金属锰元素替代磷酸铁锂中的铁元素,将平均放电电压提升至3.7V以上,且在3C倍率下放电容量不低于140mAh/g,将大幅提升动力电池的功率密度和能量密度。

容百科技方面则表示,今年上半年公司已累计出货近千吨磷酸锰铁锂正极材料,市场占有率超过70%,产品广泛应用于家储、动力等领域。此外,容百科技近期还披露了磷酸锰铁锂的市场进展与扩产规划,计划于2025年底在中、韩两国建成14万吨/年磷酸锰铁锂产能,2030年底在中、韩、欧、美市场建成56万吨/年磷酸锰铁锂产能。

磷酸铁锂电池的“升级版”

“磷酸锰铁锂可被定位为‘铁锂的升级版本’,兼具磷酸铁锂高安全性和三元锂材料高能量密度的优点。理论上,锰、铁的比例为6:4时,性能相较铁锂提升10%~15%,锰全部替换时性能可提升21%。”龙蟠科技研究院院长史莹飞对记者表示,磷酸锰铁锂由磷酸铁锂和磷酸锰锂相结合而形成,充分结合了两者的优点,具有橄榄石型结构;磷酸铁锂具有易于合成、低成本和较高电导率等优势;磷酸锰锂具有高电压平台、高能量密度的优势,弥补了磷酸铁锂的不足;由于铁和锰原子的半径相近,可实现任意比例互溶,从而可创造出磷酸锰铁锂。

对动力电池来说,在保证安全性的前提下,降低成本并提升能量密度、增加续驶里程是其发展方向。据介绍,磷酸锰铁锂的电压平台呈现二阶梯形式,平台长度正比于锰铁比例。锰铁比例直接影响高低电位下的放电容量,锰含量越高,能量密度越高,但也会出现容量降低和循环寿命衰减的问题。锰铁互溶后,材料会出现晶体结构畸变,电池循环中可能发生锰溶出,与电解液反应,进而影响循环寿命。同时,材料电导率、离子扩散系数较差,从而影响倍率性能。使用纳米化等改性手段,可基本解决材料电化学问题,但会降低材料压实密度。

“磷酸锰铁锂的优势应该是成本降低,劣势是内阻偏大,所以更多用在成本敏感领域,但恐怕无法做快充电池。”某动力电池企业技术总工程师对记者说。

针对发展磷酸锰铁锂面临的挑战,动力电池企业和材料供应商正在努力攻关。史莹飞告诉记者,“锰锂1号”采用了“能量球2.0”技术,实现了高容量、高电压、高倍率、高压实。其中,纳米化技术将颗粒缩小至纳米尺寸,减少锂离子在颗粒内部的扩散路径,增强离子传递,提高充放电效率,改善化学反应速率,降低电池的内部极化,提高循环寿命;锰-铁均匀固溶技术独特的前驱体合成工艺,改善了锰溶出,提高磷酸锰铁锂材料的循环性能;基于前驱体的优势,耦合磷酸铁锂产线,在制造成本、生产效率,以及设备通用性等方面形成独特优势。

或实现部分中低端替代

来自高工产研锂电研究所的调研数据显示:2022年,国内磷酸锰铁锂正极材料出货量达2000吨,预计2023年将超过1.5万吨,2025年磷酸锰铁锂正极材料出货量有望超过20万吨。

特斯拉创始人兼首席执行官马斯克曾在社交媒体上称,锰元素将替代动力电池正极材料中的铁和磷,并推动其生产规模进入“TWh时代”。东吴证券的研报认为,磷酸锰铁锂可使动力电池能量密度提升10%~20%,且理论上成本更低,有望替代磷酸铁锂和中镍三元锂材料。这份研报指出,2025年,国内磷酸锰铁锂电池的需求将接近130GWh;到2030年这个数字或超1500GWh,其市场渗透率将超30%,对应的正极材料需求超过260万吨,市场规模超1500亿元。

前述动力电池企业技术总工程师表示,两轮车对成本特别敏感,所以磷酸锰铁锂电池有了市场进入机会,而一部分中、低端电动汽车,由于对降本的需求比较迫切,也可能选择配套磷酸锰铁锂电池。

史莹飞也认为,在磷酸锰铁锂电池的市场进展中,其有望在两轮车上率先落地,进而开拓中、低端电动汽车领域。原因在于,两轮车的应用场景验证周期短,可以率先落地;而在电动汽车上,随着经济性优势显现和低温性能改善,磷酸锰铁锂电池未来有望向更多场景渗透。

“目前,磷酸锰铁锂电池在吸潮机理、量价关系上,还没有完全成熟,因此仅属于部分性能领先的前瞻技术。”车夫咨询合伙人曹广平向记者道出了自己的判断,区别于三元锂电池和磷酸铁锂电池,磷酸锰铁锂电池是正极材料变化而形成的一种电池。与市场上回归后比较成熟的磷酸铁锂电池相比,其具有电压高、能量密度高、寿命长的优点,但电导率低,量产也还存在一些困难。

曹广平进一步指出,磷酸锰铁锂电池的出现正好是在“窗口期”,目前真正的固态电池还未实现量产装车,磷酸铁锂电池也触及能量密度的“天花板”。但磷酸锰铁锂电池想要超越磷酸铁锂电池,还有很多挑战,实现固态化则更难。另外,从世界范围内看,日、韩、美等市场并未把过多精力投入到磷酸锰铁锂电池的研发上。而由于我国纯电动汽车行业具有先发优势,市场亟需这类电池更好地代替磷酸铁锂产品,甚至与三元锂电池展开竞争。“磷酸锰铁锂电池的大规模量产装车,还需历经数年的市场验证过程。由此可以判定,其在两年内超越磷酸铁锂电池的可能性几乎没有;能否挤占一些三元锂电池的份额,则将视磷酸锰铁锂电池的具体产业化情况而定。”他认为。

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