磷酸鐵鋰電池將要迎來最大變革!
日前，有媒體報道稱，寧德時代將會在今年第四季度向特斯拉供應最新的產(chǎn)品M3P電池，將會搭載到Model Y車型上。而這款車會在明年初上市。
寧德時代雖然沒有明確說明白M3P電池是何種電池，但由于M是錳元素的化學代號，再加上馬斯克此前多次公開談到錳電池，因此不少人推測M3P電池就是磷酸錳鐵鋰電池。
而隨著寧德時代和特斯拉的同時押寶，磷酸錳鐵鋰電池再次成為動力電池行業(yè)熱門話題。目前國內(nèi)幾乎所有的動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)壽命長的優(yōu)點，同時又彌補了磷酸鐵鋰電池能量密度低，低溫性能差的缺點。
因此，磷酸錳鐵鋰電池似乎是磷酸鐵鋰電池最好的替代品。
隨著車企對于電動汽車安全性的要求越來越高，磷酸鐵鋰電池的裝機量已經(jīng)超過了三元鋰電池。這也意味著磷酸錳鐵鋰電池將會擁有非常廣闊的市場空間。
那么，這種電池的性能為何會有明顯提升?是否還存在一定的技術難點?目前量產(chǎn)進度如何?
寧德時代下場搞 特斯拉明年就將裝車
雖然因為供貨特斯拉，寧德時代M3P電池再次走入大眾視線，但其實在今年2月份的時候，寧德時代的M3P電池就首次出現(xiàn)在公眾視野中了。
▲寧德時代此前曾預告M3P電池(圖源網(wǎng)絡)
當時大家從電池的命名方式猜測，M3P電池或許就是磷酸錳鐵鋰電池。
不過，寧德時代方面則表示：“M3P是基于新型材料體系研發(fā)的電池，準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”。
從寧德時代的描述來看，M3P電池是在原有的電池化學體系上，添加了一些錳元素和其他的金屬元素，是一種進一步優(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力電池材料體系內(nèi)加入更多的錳元素。
在今年的世界動力電池大會上，寧德時代方面表示M3P電池已經(jīng)實現(xiàn)了量產(chǎn)，預計在明年推向市場應用，而結合此前的報道來看，首批裝車的車型應該就是特斯拉Model Y。
▲特斯拉Model Y
特斯拉之所以會選擇采用這種新電池，主要跟其對于這一技術思路的認可有關。
在電池方面，馬斯克曾多次強調(diào)，電動汽車和動力電池的大規(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，否則就無法進行規(guī)?；a(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年的電池日活動上，馬斯克就表示對錳金屬感興趣。
今年1月份的時候，馬斯克還發(fā)表推特表示，錳可以替代鐵和磷，因為錳需要更少的鋰元素，還可以在更高的電壓下工作。
而特斯拉柏林工廠開幕的時候，馬斯克在被提問到“ 石墨烯電池 ” 時，曾坦言由于石墨烯電池存在制造的復雜性，他對此持懷疑態(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。
目前寧德時代含有錳元素的動力電池已經(jīng)走到了大規(guī)模量產(chǎn)的前夜，同時寧德時代作為特斯拉在國內(nèi)的動力電池供應商之一，向特斯拉提供這種電池也就不奇怪了。
也正因為寧德時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上加入錳元素，從而獲得一種新型動力電池。
這種電池雖然在最近一段時間才走入到大眾的視野中，但其誕生的時間卻并非現(xiàn)在。
從專利申請的情況來看，早在2005年開始就零星有關于磷酸錳鐵鋰電池的專利申請，此后也一直有相關專利申請。
▲國家專利局相關專利情況
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中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)三基工程工作會議”中，王傳福就曾提到其找到了新的技術方向，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。
由于當時技術條件并不成熟，再加上三元鋰電池逐步崛起成為主流的動力電池，有消息稱比亞迪在2016年就終止了相關研究。
由此可見，磷酸錳鐵鋰電池并不算是一項新技術。
目前磷酸鐵鋰電池的裝機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量達到了64.4GWh，占比58.5%;三元鋰電池的裝車量達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，在原有的化學體系上很難再做進一步的提升。而磷酸錳鐵鋰電池就是一個不錯的發(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。
首先就是磷酸錳鐵鋰電池的能量密度會有顯著的提升。國海證券研究顯示，磷酸錳鐵鋰的電壓平臺為4.1V，而磷酸鐵鋰電池電壓平臺為3.4V，根據(jù)能量密度=克容量*電壓的計算公式，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)航可以達到605公里。
而磷酸錳鐵鋰電池的單體能量密度預計可以達到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)能量密度可以達到161Wh/kg以上，也可以讓電動汽車的續(xù)航輕松突破600公里。
目前榮威ER6、幾何A Pro，甚至目前非?；馃岬臉O氪001都有采用NCM523的版本，其續(xù)航也基本都在600公里以上。
這主要是因為錳元素的加入使得電壓平臺提高，從而提升了能量密度，彌補了磷酸鐵鋰電池能量密度低的短板。
另一個突出優(yōu)勢則是低溫性能好。國海證券研究顯示，錳酸鐵鋰電池在-20℃下容量保持率能夠達到約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，因而其低溫性能會更加優(yōu)秀。
而這主要是因為磷酸錳鐵鋰的一次顆粒小于磷酸鐵鋰，因而鋰離子的運輸路徑更短。
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構類型，其結構穩(wěn)定性要強于三元鋰電池的層狀氧化物結構。
而錳元素是一種導電性非常差的金屬元素，鋰離子在電池中進行充放電動作并不會影響到錳元素，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了磷酸鐵鋰電池能量密度低、低溫性能差的缺點，但安全性高、循環(huán)壽命長的優(yōu)點又得到了繼承。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。因此，一旦這種電池實現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，或許將會快速占領市場。
仍存在一定缺點 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現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。在目前的技術條件下，磷酸錳鐵鋰電池也存在多個顯著的問題。
國海證券報告顯示，磷酸錳鐵鋰的雙電壓平臺不穩(wěn)定，磷酸錳鐵鋰電池擁有錳鐵兩個電壓平臺，錳的電壓平臺高于鐵，因此在錳與鐵的氧化還原方面、電壓切換方面都會比較困難，這也導致后期電池的BMS比較困難。
其次這種電池的電導率也比較低，電子在磷酸錳鐵鋰躍遷能系遠高于磷酸鐵鋰，導致電導率比較低，如果做一個比喻的話，磷酸鐵鋰可以類比為半導體，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-泰勒效應下會導致錳溶出，在負極表面沉積，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現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的原因。
不過，現(xiàn)階段電池企業(yè)對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、與三元材料復用，且可同時使用以上多種方法。
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)部的擴散路徑，以便高效脫嵌，提高對應電池的倍率性能，也能提高活性顆粒的比表面積，提高與電解液的反應，以使性能得到提升。
▲納米棒狀錳鐵鋰結構(圖源國海證券)
碳包覆則是通過導電碳和磷酸錳鐵鋰構建快速導電網(wǎng)絡，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，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)部改變材料的導電性和離子擴散性，摻雜離子可使晶格產(chǎn)生缺陷，并可抑制姜-泰勒效應，從而提高材料性能。
比較有意思的一點是，磷酸錳鐵鋰電池還可以和三元材料進行復配，通過磷酸錳鐵鋰包覆三元材料，復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，同時電池擁有優(yōu)異的循環(huán)性能。
▲復合材料電池安全性更好(圖源國海證券)
例如磷酸錳鐵鋰復合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，同時成本也會較三元體系更低。
而按照寧德時代的說法，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”，從這點來看，該電池或許就采用了復合材料。
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代，有市場消息稱，比亞迪旗下的弗迪電池在今年初小批量采購磷酸錳鐵鋰材料，正在進行內(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”的傳聞進行了回應，表示“關于電池的各種材料，都會有研究。”
比亞迪的回應也算是證實了其內(nèi)部正在對這種電池進行研發(fā)。
此外，消息人士稱，國軒高科已經(jīng)在錳基電池方面深耕多年，已經(jīng)獲得了多項專利和新產(chǎn)品證書。
媒體報道稱，欣旺達、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試。
車東西此前也曾聯(lián)系中創(chuàng)新航方面，得到的回復為：年內(nèi)也會有關于磷酸錳鐵鋰電池的發(fā)布。
整體上來看，目前國內(nèi)主要的動力電池廠商都已經(jīng)進行了磷酸錳鐵鋰電池的布局。而該化學體系的電池此前已經(jīng)在兩輪電動汽車方面實現(xiàn)了量產(chǎn)，車用電池也已經(jīng)在進行樣品測試了。
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)設備變動較小，無需重建產(chǎn)線，變動成本低。也就是說，一旦樣品測試通過，或許很快就將實現(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)展趨勢來看，到2023年，磷酸錳鐵鋰電池將會快速上量，未來或許會完全替代磷酸鐵鋰電池。
結語：動力電池技術仍在持續(xù)進步
在電動化時代，動力電池已經(jīng)成為最核心的零部件了，而在動力電池領域內(nèi)也在發(fā)生一定的變化。
在過去的幾年內(nèi)，由于補貼政策的作用和車企消費者對于續(xù)航里程的追求，三元鋰電池迅速成為主流，而最近兩年，隨著公眾對于安全性的重視和對成本的考慮，磷酸鐵鋰電池又開始快速占領市場。
但整體上來看，現(xiàn)階段主流的電池技術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，而隨著技術的不斷發(fā)展，研發(fā)人員也開始在化學體系方面發(fā)力，開始研發(fā)磷酸錳鐵鋰電池。
從這點來看，雖然動力電池行業(yè)現(xiàn)階段出現(xiàn)了瓶頸，但卻從未止步，因此未來或許也會有更好的動力電池產(chǎn)品出現(xiàn)。
