磷酸鐵鋰電池將要迎來最大變革!
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，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越高，磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量已經(jīng)超過了三元鋰電池。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┴浱厮估瑢幍聲r(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，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)確說來不是磷酸錳鐵鋰，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常看好，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，磷酸鐵鋰電池又迎來了春天。
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，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)模化量產(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，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。
納米化原理為將顆粒縮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，無需重建產(chǎn)線，變動(dòng)成本低。也就是說，一旦樣品測(cè)試通過，或許很快就將實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(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)來看，到2023年，磷酸錳鐵鋰電池將會(huì)快速上量，未來或許會(huì)完全替代磷酸鐵鋰電池。
結(jié)語：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，因此未來或許也會(huì)有更好的動(dòng)力電池產(chǎn)品出現(xiàn)。
