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宁德时代给特斯拉下“锰”药

2022-08-11 10:43:59 车东西   作者: Juice  

磷酸铁锂电池将要迎来最大变革!

日前,有媒体报道称,宁德时代将会在今年第四季度向特斯拉供应最新的产品M3P电池,将会搭载到Model Y车型上。而这款车会在明年初上市。

宁德时代虽然没有明确说明白M3P电池是何种电池,但由于M是锰元素的化学代号,再加上马斯克此前多次公开谈到锰电池,因此不少人推测M3P电池就是磷酸锰铁锂电池。

而随着宁德时代和特斯拉的同时押宝,磷酸锰铁锂电池再次成为动力电池行业热门话题。目前国内几乎所有的动力电池厂商都在研究磷酸锰铁锂电池。

顾名思义,这种电池是磷酸铁锂电池的升级版本,在原来的正极材料加入一定的锰元素,使之成为磷酸锰铁锂电池。

与磷酸铁锂电池相比,磷酸锰铁锂电池的能量密度可以提升15~20%左右,单体能量密度可以达到200Wh/kg以上,甚至可以和部分三元锂电池媲美。

此外,磷酸锰铁锂电池的低温性能也会有明显的提升。更重要的是,磷酸锰铁锂电池的安全性、循环寿命和磷酸铁锂电池非常接近。

也就是说,磷酸锰铁锂电池继承了磷酸铁锂电池安全性高、循环寿命长的优点,同时又弥补了磷酸铁锂电池能量密度低,低温性能差的缺点。

因此,磷酸锰铁锂电池似乎是磷酸铁锂电池最好的替代品。

随着车企对于电动汽车安全性的要求越来越高,磷酸铁锂电池的装机量已经超过了三元锂电池。这也意味着磷酸锰铁锂电池将会拥有非常广阔的市场空间。

那么,这种电池的性能为何会有明显提升?是否还存在一定的技术难点?目前量产进度如何?

宁德时代下场搞 特斯拉明年就将装车

虽然因为供货特斯拉,宁德时代M3P电池再次走入大众视线,但其实在今年2月份的时候,宁德时代的M3P电池就首次出现在公众视野中了。


▲宁德时代此前曾预告M3P电池(图源网络)

当时大家从电池的命名方式猜测,M3P电池或许就是磷酸锰铁锂电池。

不过,宁德时代方面则表示:“M3P是基于新型材料体系研发的电池,准确说来不是磷酸锰铁锂,还包含其他金属元素,公司称之为磷酸盐体系的三元。新电池的能量密度高于磷酸铁锂,但成本比三元锂更低”。

从宁德时代的描述来看,M3P电池是在原有的电池化学体系上,添加了一些锰元素和其他的金属元素,是一种进一步优化的磷酸锰铁锂电池。

虽然具体做法上存在一定的差别,但整体思路也是往动力电池材料体系内加入更多的锰元素。

在今年的世界动力电池大会上,宁德时代方面表示M3P电池已经实现了量产,预计在明年推向市场应用,而结合此前的报道来看,首批装车的车型应该就是特斯拉Model Y。


▲特斯拉Model Y

特斯拉之所以会选择采用这种新电池,主要跟其对于这一技术思路的认可有关。

在电池方面,马斯克曾多次强调,电动汽车和动力电池的大规模生产需要数千万吨材料,甚至数亿吨电池材料,因此,这些电池原材料必须是随处可见的普通材料,否则就无法进行规模化生产。

而全球锰矿资源非常丰富,恰好符合马斯克所说的随处可见且普通。

因此,马斯克曾经多次谈及锰元素。在2020年的电池日活动上,马斯克就表示对锰金属感兴趣。

今年1月份的时候,马斯克还发表推特表示,锰可以替代铁和磷,因为锰需要更少的锂元素,还可以在更高的电压下工作。

而特斯拉柏林工厂开幕的时候,马斯克在被提问到“ 石墨烯电池 ” 时,曾坦言由于石墨烯电池存在制造的复杂性,他对此持怀疑态度。紧接着他表示,特斯拉正在用更多的材料制造电池,其中着重提到了锰基阴极电池的化学潜力。


▲马斯克在柏林工厂开幕式上发表演讲

从马斯克过往的言论中也不难发现,特斯拉对于锰元素在电池中的作用非常看好,很早就开始尝试将其产业化了。

目前宁德时代含有锰元素的动力电池已经走到了大规模量产的前夜,同时宁德时代作为特斯拉在国内的动力电池供应商之一,向特斯拉提供这种电池也就不奇怪了。

也正因为宁德时代和特斯拉的共同选择,另一种含锰元素的磷酸锰铁锂电池也开始走向大众视野中。

磷酸铁电池迎来改革 能量密度进一步提升

磷酸锰铁锂电池,顾名思义就是在磷酸铁锂电池的正极材料基础上加入锰元素,从而获得一种新型动力电池。

这种电池虽然在最近一段时间才走入到大众的视野中,但其诞生的时间却并非现在。

从专利申请的情况来看,早在2005年开始就零星有关于磷酸锰铁锂电池的专利申请,此后也一直有相关专利申请。


▲国家专利局相关专利情况

而在具体的产业化方面,比亚迪在2013年开始了研究,在2014年的“2014中国新能源汽车产业三基工程工作会议”中,王传福就曾提到其找到了新的技术方向,即为磷酸锰铁锂电池(LMFP)。

甚至在2015年,工信部目录中出现的新款e6车型就搭载了磷酸锰铁锂电池。

由于当时技术条件并不成熟,再加上三元锂电池逐步崛起成为主流的动力电池,有消息称比亚迪在2016年就终止了相关研究。

由此可见,磷酸锰铁锂电池并不算是一项新技术。

目前磷酸铁锂电池的装机量超过了三元锂电池,公开数据显示,上半年磷酸铁锂电池的装机量达到了64.4GWh,占比58.5%;三元锂电池的装车量达45.6GWh,占比41.4%。

可以说,磷酸铁锂电池又迎来了春天。

但目前磷酸铁锂电池的能量密度已经接近天花板,在原有的化学体系上很难再做进一步的提升。而磷酸锰铁锂电池就是一个不错的发展方向。

与磷酸铁锂电池相比,磷酸锰铁锂电池有两大优势。

首先就是磷酸锰铁锂电池的能量密度会有显著的提升。国海证券研究显示,磷酸锰铁锂的电压平台为4.1V,而磷酸铁锂电池电压平台为3.4V,根据能量密度=克容量*电压的计算公式,磷酸锰铁锂电池的能量密度最多可以提升20%左右。

现阶段比亚迪刀片电池的单体能量密度在160Wh/kg左右,系统能量密度为140Wh/kg左右,搭载了刀片电池之后,比亚迪汉EV在NEDC工况下,最高续航可以达到605公里。

而磷酸锰铁锂电池的单体能量密度预计可以达到200Wh/kg以上,和NCM523三元锂电池的单体能量密度接近。NCM523的单体能量密度为180~210Wh/kg,系统能量密度可以达到161Wh/kg以上,也可以让电动汽车的续航轻松突破600公里。

目前荣威ER6、几何A Pro,甚至目前非常火热的极氪001都有采用NCM523的版本,其续航也基本都在600公里以上。

这主要是因为锰元素的加入使得电压平台提高,从而提升了能量密度,弥补了磷酸铁锂电池能量密度低的短板。

另一个突出优势则是低温性能好。国海证券研究显示,锰酸铁锂电池在-20℃下容量保持率能够达到约75%,而磷酸铁锂的容量保持率为60%-70%。


▲磷酸锰铁锂电池低温性能更加突出(图源国海证券)

这也意味着在同样的低温性能下,磷酸锰铁锂电池的带电量更大,因而其低温性能会更加优秀。

而这主要是因为磷酸锰铁锂的一次颗粒小于磷酸铁锂,因而锂离子的运输路径更短。

另外,磷酸锰铁锂电池的安全性和循环性能也可以和磷酸铁锂电池比肩。磷酸锰铁锂电池也属于橄榄石结构类型,其结构稳定性要强于三元锂电池的层状氧化物结构。

而锰元素是一种导电性非常差的金属元素,锂离子在电池中进行充放电动作并不会影响到锰元素,所以其安全性可以得到保证。

整体来看,磷酸锰铁锂电池弥补了磷酸铁锂电池能量密度低、低温性能差的缺点,但安全性高、循环寿命长的优点又得到了继承。毫不夸张的说,磷酸锰铁锂电池就是磷酸铁锂电池的升级版。

即使与三元锂电池相比,磷酸锰铁锂电池也具备安全性高、成本低的优势。因此,一旦这种电池实现规模化量产,或许将会快速占领市场。

仍存在一定缺点 可与三元材料搭配使用

但磷酸锰铁锂电池也并非完美无缺的产品,否则也不可能直到今天还未实现大规模量产。在目前的技术条件下,磷酸锰铁锂电池也存在多个显著的问题。

国海证券报告显示,磷酸锰铁锂的双电压平台不稳定,磷酸锰铁锂电池拥有锰铁两个电压平台,锰的电压平台高于铁,因此在锰与铁的氧化还原方面、电压切换方面都会比较困难,这也导致后期电池的BMS比较困难。

其次这种电池的电导率也比较低,电子在磷酸锰铁锂跃迁能系远高于磷酸铁锂,导致电导率比较低,如果做一个比喻的话,磷酸铁锂可以类比为半导体,而磷酸锰铁锂则类似于绝缘体,而磷酸锰铁锂正极材料的加工难度也要比磷酸铁锂更高。

另外锰离子在姜-泰勒效应下会导致锰溶出,在负极表面沉积,最终破坏SEI膜(液态锂离子电池首次充放电过程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层),影响到电池的安全性。

而这些因素也一直是磷酸锰铁锂电池没有实现大规模量产的原因。

不过,现阶段电池企业对于磷酸锰铁锂电池的重视程度正在不断提升,头部企业正在逐步破解这些问题,主要的改性方法有纳米化、碳包覆、金属离子掺杂、与三元材料复用,且可同时使用以上多种方法。

纳米化原理为将颗粒缩小至纳米尺寸后可以减少锂离子在正极活性物质颗粒内部的扩散路径,以便高效脱嵌,提高对应电池的倍率性能,也能提高活性颗粒的比表面积,提高与电解液的反应,以使性能得到提升。


▲纳米棒状锰铁锂结构(图源国海证券)

碳包覆则是通过导电碳和磷酸锰铁锂构建快速导电网络,使电子在充放电过程中可以在活性物质之间迅速迁移,降低电池的内阻和充放电极化。而碳包覆也可以避免与电解液产生副反应,改善其高温性能和循环性能。

金属离子掺杂是从晶格内部改变材料的导电性和离子扩散性,掺杂离子可使晶格产生缺陷,并可抑制姜-泰勒效应,从而提高材料性能。

比较有意思的一点是,磷酸锰铁锂电池还可以和三元材料进行复配,通过磷酸锰铁锂包覆三元材料,复合材料兼具磷酸锰铁锂的低成本、高安全性以及三元材料的高能量密度的优势,同时电池拥有优异的循环性能。


▲复合材料电池安全性更好(图源国海证券)

例如磷酸锰铁锂复合80%的三元523材料后,电池能量密度没有明显变化,但其安全性能得到了明显的提升,同时成本也会较三元体系更低。

而按照宁德时代的说法,其M3P电池“还包含其他金属元素,公司称之为磷酸盐体系的三元”,从这点来看,该电池或许就采用了复合材料。

虽然磷酸锰铁锂电池存在一定的问题,但目前已经有了较为有效的解决方式,已经站到了量产的大门前。

电池企业材料商已经布局 即将大规模生产

目前已经有越来越多的电池企业开始参与到磷酸锰铁锂电池的研发中了。

除了上面提到的宁德时代,有市场消息称,比亚迪旗下的弗迪电池在今年初小批量采购磷酸锰铁锂材料,正在进行内部研发。

7月13日,比亚迪方面也就“研发磷酸锰铁锂电池”的传闻进行了回应,表示“关于电池的各种材料,都会有研究。”

比亚迪的回应也算是证实了其内部正在对这种电池进行研发。

此外,消息人士称,国轩高科已经在锰基电池方面深耕多年,已经获得了多项专利和新产品证书。

媒体报道称,欣旺达、亿纬锂能的磷酸锰铁锂电池已经在今年上半年通过了电池中试环节,正在送样品给车企测试。

车东西此前也曾联系中创新航方面,得到的回复为:年内也会有关于磷酸锰铁锂电池的发布。

整体上来看,目前国内主要的动力电池厂商都已经进行了磷酸锰铁锂电池的布局。而该化学体系的电池此前已经在两轮电动汽车方面实现了量产,车用电池也已经在进行样品测试了。

据了解生产磷酸锰铁锂电池与生产磷酸铁锂电池的生产设备变动较小,无需重建产线,变动成本低。也就是说,一旦样品测试通过,或许很快就将实现规模化量产。

而正极材料厂商如德方纳米、力泰锂能、容百科技、当升科技等都已经完成了磷酸锰铁锂材料的开发,都已经规划了一定的产能。

按照目前的发展趋势来看,到2023年,磷酸锰铁锂电池将会快速上量,未来或许会完全替代磷酸铁锂电池。

结语:动力电池技术仍在持续进步

在电动化时代,动力电池已经成为最核心的零部件了,而在动力电池领域内也在发生一定的变化。

在过去的几年内,由于补贴政策的作用和车企消费者对于续航里程的追求,三元锂电池迅速成为主流,而最近两年,随着公众对于安全性的重视和对成本的考虑,磷酸铁锂电池又开始快速占领市场。

但整体上来看,现阶段主流的电池技术路线只有三元锂电池和磷酸铁锂电池,并且这两条路径还在持续发展,在三元体系方面陆续出现了5系三元锂、6系三元锂、8系三元锂等,并且还在持续更新。

而在磷酸铁锂方面,此前多集中在封装方式的变化,如刀片电池等,而随着技术的不断发展,研发人员也开始在化学体系方面发力,开始研发磷酸锰铁锂电池。

从这点来看,虽然动力电池行业现阶段出现了瓶颈,但却从未止步,因此未来或许也会有更好的动力电池产品出现。




责任编辑: 李颖

标签: 磷酸锰铁锂电池 三元材料 宁德时代

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