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磷酸锰铁锂电池2023年“登堂入室”?

发布时间:2023-01-17 14:56:43   来源:中国汽车报网    浏览次数:

“固态电池是行业发展方向之一,能量密度、安全性等指标表现优异,全球多家机构的实验室在努力开展研发,但量产产品还没有出现。在这种情况下,业内有人想到过渡方案。锰元素的高电压特性,吸引了不少研究人员的关注,锰基电池材料量产开始变成现实。”日前,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高在接受《中国汽车报》记者采访时表示。

磷酸锰铁锂是锰基电池材料中的重要一员,近年来,多家企业都在大力推进研发及生产。2023年,它能否在新能源汽车电池配套领域拥有一席之地?

磷酸铁锂电池强势回归

几年前,受新能源汽车补贴政策影响,三元锂电池在乘用车市场占据较高的份额,磷酸铁锂电池呈现式微之势。不过,这种局面并没有一直持续下去。主要原因在于,如果抛开补贴政策的因素,磷酸铁锂电池相比三元锂电池在综合成本、循环寿命、安全性方面有优势。

国家科技成果转化基金新能源汽车创业投资子基金合伙人兼总裁方建华告诉记者,在磷酸铁锂电池中,正极材料仅占成本的20%~30%,而在三元锂电池中,正极材料的成本占比达到40%左右,钴金属较高的价格,拉低了三元材料的能量密度优势。磷酸铁锂的安全性高于三元材料,从全生命周期来看,也更有成本优势。“三元材料的循环周期约为1000次,磷酸铁锂可以轻松达到1500~2000次。”他说。

不过,需要承认的是,磷酸铁锂电池在生产工艺和性能参数上也存在劣势。许多车主抱怨冬季电动汽车续驶里程缩水严重,尤其是磷酸铁锂电池在严寒天气状况下,续驶里程达标率往往只有50%左右。为解决这个问题,许多企业采用“堆电池”的方法,这导致单位里程耗电量较高,与发展电动汽车实现节能环保的理念相背离。

磷酸铁锂电池对生产一致性的要求极高,个别“坏”电芯混入电池包中容易影响整体性能。磷酸铁锂电池的振实密度与压实密度很低,为了提高这二项指标,在电池生产上普遍采用压实的办法。“磷酸铁锂的压实密度已接近极限,很难再提高。”夏永高直言。

生产工艺、能量密度都接近“天花板”,但成本优势足以吸引企业暂时忽略磷酸铁锂电池的短板。2021年,我国磷酸铁锂电池的装车量超过了三元锂电池。中国汽车动力电池产业创新联盟的统计显示,2021年,我国磷酸铁锂电池产量累计达到125.4GWh,占总产量的57.1%。此后,磷酸铁锂电池一直处于市场主流地位。2022年前11个月,我国三元锂电池累计装车量同比增长130.6%,磷酸铁锂电池装车量累计同比增长183.4%。

磷酸铁锂电池曾因能量密度较低而受冷落,但负极技术进步助其迎来“第二春”。以往,磷酸铁锂电池的负极采用石墨,其理论比容量为372mAh/g。研究人员发现,硅基负极材料的理论比容量可达4200mAh/g。这项重大技术进步,让磷酸铁锂电池徘徊于170Wh/kg的能量密度迅速增至190Wh/kg。加上原有的成本与安全性优势,磷酸铁锂电池迅速重回市场舞台中央。

磷酸锰铁锂电池“卡位”

中国科学院物理所研究员李泓向记者表示,20年前,锰基材料电池就被研发出来,日产聆风曾采用锰酸锂电池,但磷酸锰锂电池几乎无人问津。他认为:“最近被人们广泛议论的锰基材料电池,不是新鲜事物,其优势明显,短板也突出。”

动力电池行业通常用5项指标衡量产品性能:能量密度、倍率性能、成本、安全性和循环寿命。据介绍,锰酸锂材料比磷酸铁锂的成本低20%~30%。此外,锰酸锂电池的单体电压较高,可达3.9V;磷酸铁锂电池为3.4V;三元锂电池为3.8V。单体电压高意味着电池PACK可使用较少电芯。

与磷酸铁锂相比,磷酸锰锂的能量密度高20%,但价格更便宜;与锰酸锂相比,磷酸锰锂的能量密度更高,高温循环寿命更长;与三元材料相比,磷酸锰锂具有相似的能量密度,但更安全,价格更低。

似乎磷酸锰锂兼具各方的优点,应该顺理成章地成为主流电池材料。然而,市场上几乎找不到商品化的磷酸锰锂电池。夏永高说:“受本身结构的限制,合成稳定可逆充放电的磷酸锰锂非常困难。同时,磷酸锰锂也存在电子电导率和锂离子扩散速率低的难题。”

磷酸锰锂很难量产,研究人员于是尝试在磷酸铁锂中加入锰元素,得到了磷酸锰铁锂。它的单体电压达到4.1V,远高于磷酸铁锂的3.4V。然而,需要指出的是,磷酸锰铁锂并不是磷酸铁锂的升级版。夏永高告诉记者,磷酸锰铁锂电池单独使用会有一些难题,磷酸锰铁锂材料的粒径需要做到50纳米,磷酸铁锂的粒径约为数百纳米,粒径小就非常容易吸水。磷酸锰铁锂材料放在空气中吸水量很快就能达到6000~7000ppm,材料吸水后会造成表面改性。

尽管磷酸锰铁锂难以单独使用,但与三元锂电池配合使用效果不错。相反,磷酸锰铁锂电池不适合与磷酸铁锂电池混合使用,因为两种材料之间的电压相差0.7V,BMS控制存在大拐点,很难加以处理。而三元锂电池的单体电压为3.8V,与磷酸锰铁锂的较为接近。

在磷酸铁锂电池与三元锂电池之间,磷酸锰铁锂电池似乎找到了自己的位置:能量密度比前者高,安全性没有明显的降低,成本增加并不显著,综合起来优势比较明显。

企业加快布局推进测试

随着越来越多的企业认识到磷酸锰铁锂的优势,抢先布局、抢占赛道成为它们的共同选择。浙商证券分析师张雷认为,德方纳米、容百科技、当升科技等在磷酸锰铁锂行业布局较早、规模较大的企业,值得投资者高度关注。

去年下半年,孚能科技在战略及新品发布会上表示,计划2023年推出第一代磷酸锰铁锂产品;在2022世界新能源汽车大会上,中创新航对外发布OS(One-Stop)高锰铁锂电池;星恒电源与珩创纳米在盐城签署战略合作协议,双方将就磷酸锰铁锂产品开展深度合作,前者还与龙蟠科技子公司常州锂源就磷酸锰铁锂材料项目达成战略合作。

此外,宁德时代以4.13亿元投资了磷酸锰铁锂厂商力泰锂能,成为其第一大股东。据悉,力泰锂能拥有年产2000吨磷酸锰铁锂的能力,并计划新建年产3000吨磷酸锰铁锂生产线。瑞浦兰钧则对外表示,2023~2024年,该公司的磷酸锰铁锂能量密度将做到500Wh/L,支持纯电动车型续驶里程达到800公里。德方纳米年产11万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地项目,在云南曲靖正式投产,是目前全国已建成投产的最大单体产能磷酸锰铁锂正极材料项目。

另据了解,国内正极材料龙头企业容百科技出资收购了斯科兰德,后者深耕磷酸锰铁锂多年,是国内这个领域的重磅企业。斯科兰德总经理李积刚告诉记者,公司现有产能6200吨,正在进行新增5000吨生产线的扩建;2023年初步规划10万吨产能,有望进一步加速产能建设,完成几款车型的项目定点。为应对配套2023年定点车型后锰基材料需求的高增长,斯科兰德10万吨产能在今年四季度或年底建成。“采用锰基材料电池的电动汽车,至少要到2023年三季度才能完成全部测试,目前测试情况良好。”他透露。

李积刚强调称:“目前公司磷酸锰铁锂的产品性能和工艺比较有优势,产品盈利性非常好,单吨盈利能力已超过高镍产品,一旦产品通过认证,后面的产能扩张会非常快。”

2023年,磷酸锰铁锂电池能否登堂入室,试车情况是极为关键的因素。如果磷酸锰铁锂电池性能表现良好,或将带动整个行业向这个产品领域倾斜。