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熱門話題。目前國內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、循環壽命長的優點，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電池就首次出現在公眾視野中了。
▲寧德時代此前曾預告M3P電池(圖源網絡)
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電池已經實現了量產，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，電動汽車和動力電池的大規模生產需要數千萬噸材料，甚至數億噸電池材料，因此，這些電池原材料必須是隨處可見的普通材料，否則就無法進行規模化生產。
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表演講
從馬斯克過往的言論中也不難發現，特斯拉對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業化了。
目前寧德時代含有錳元素的動力電池已經走到了大規模量產的前夜，同時寧德時代作為特斯拉在國內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
而在具體的產業化方面，比亞迪在2013年開始了研究，在2014年的“2014中國新能源汽車產業三基工程工作會議”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，公開數據顯示，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展方向。
與磷酸鐵鋰電池相比，磷酸錳鐵鋰電池有兩大優勢。
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。
現階段比亞迪刀片電池的單體能量密度在160Wh/kg左右，系統能量密度為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，系統能量密度可以達到161Wh/kg以上，也可以讓電動汽車的續航輕松突破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、循環壽命長的優點又得到了繼承。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、成本低的優勢。因此，一旦這種電池實現規模化量產，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品，否則也不可能直到今天還未實現大規模量產。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大規模量產的原因。
不過，現階段電池企業對于磷酸錳鐵鋰電池的重視程度正在不斷提升，頭部企業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。
納米化原理為將顆粒縮小至納米尺寸后可以減少鋰離子在正極活性物質顆粒內部的擴散路徑，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絡，使電子在充放電過程中可以在活性物質之間迅速遷移，降低電池的內阻和充放電極化。而碳包覆也可以避免與電解液產生副反應，改善其高溫性能和循環性能。
金屬離子摻雜是從晶格內部改變材料的導電性和離子擴散性，摻雜離子可使晶格產生缺陷，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勢，同時電池擁有優異的循環性能。
▲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，但目前已經有了較為有效的解決方式，已經站到了量產的大門前。
電池企業材料商已經布局 即將大規模生產
目前已經有越來越多的電池企業開始參與到磷酸錳鐵鋰電池的研發中了。
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，正在進行內部研發。
7月13日，比亞迪方面也就“研發磷酸錳鐵鋰電池”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部正在對這種電池進行研發。
此外，消息人士稱，國軒高科已經在錳基電池方面深耕多年，已經獲得了多項專利和新產品證書。
媒體報道稱，欣旺達、億緯鋰能的磷酸錳鐵鋰電池已經在今年上半年通過了電池中試環節，正在送樣品給車企測試。
車東西此前也曾聯系中創新航方面，得到的回復為：年內也會有關于磷酸錳鐵鋰電池的發布。
整體上來看，目前國內主要的動力電池廠商都已經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在兩輪電動汽車方面實現了量產，車用電池也已經在進行樣品測試了。
據了解生產磷酸錳鐵鋰電池與生產磷酸鐵鋰電池的生產設備變動較小，無需重建產線，變動成本低。也就是說，一旦樣品測試通過，或許很快就將實現規模化量產。
而正極材料廠商如德方納米、力泰鋰能、容百科技、當升科技等都已經完成了磷酸錳鐵鋰材料的開發，都已經規劃了一定的產能。
按照目前的發展趨勢來看，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進步
在電動化時代，動力電池已經成為最核心的零部件了，而在動力電池領域內也在發生一定的變化。
在過去的幾年內，由于補貼政策的作用和車企消費者對于續航里程的追求，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發展，在三元體系方面陸續出現了5系三元鋰、6系三元鋰、8系三元鋰等，并且還在持續更新。
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展，研發人員也開始在化學體系方面發力，開始研發磷酸錳鐵鋰電池。
從這點來看，雖然動力電池行業現階段出現了瓶頸，但卻從未止步，因此未來或許也會有更好的動力電池產品出現。
