当前位置: 绝缘体 >> 绝缘体介绍 >> 新能源汽车续航突破新方向磷酸锰铁锂电池
据《晚点LatePost》报道,宁德时代将在今年第四季度向特斯拉供应M3P电池,搭载在使用72度电池包的ModelY车型中,该版本ModelY将于明年初上市。宁德时代没有明确说明白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。虽然宁德时代曾多次公开透露M3P不是磷酸锰铁锂,但宁德时代M3P电池使用的正极材料将由德方纳米供应,后者计划在今年下半年投产11万吨磷酸锰铁锂材料。人们纷纷猜测M3P是添加有其他金属元素的磷酸锰铁锂电池。
磷酸铁锂电池正极能量密度已接近理论极值,磷酸锰铁锂或将成为铁锂企业新增长点:在兼具安全性、低成本优势的基础上,实现能量密度和新能源汽车续航提升。
磷酸锰铁锂作为正极材料有以下优势:
1、磷酸锰铁锂有能量密度优势。磷酸锰铁锂的电压平台高达4.1V,其值显著高于磷酸铁锂(3.4V)。高电压平台可以提高对应电池的能量密度,相当条件下其理论能量密度比磷酸铁锂高15%-20%,基本能够达到三元电池NCM的水平,单体能量密度可以达到Wh/kg以上。比磷酸铁锂电池有更高的续航里程。
2、磷酸锰铁锂比磷酸铁锂具有低温性能优势。磷酸锰铁锂在-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%。
3、磷酸锰铁锂比三元正极具有安全性优势。磷酸锰铁锂具有橄榄石型结构,充放电时结构更加稳定,比三元有更好的安全性和循环稳定性。循环寿命和磷酸铁锂电池非常接近。
4、磷酸锰铁锂具有成本优势。因全球锰矿资源丰富,磷酸锰铁锂成本较磷酸铁锂仅增加5%-10%左右,考虑到锰铁锂能量密度的提升,电池装机成本上,磷酸锰铁锂单瓦时成本略低于磷酸铁锂,并大幅低于三元电池。
因此,磷酸锰铁锂电池似乎是磷酸铁锂电池最好的替代品。
磷酸锰铁锂路线又可以分为两种:
一是采用%的磷酸锰铁锂材料做正极,二是在磷酸锰铁锂材料中掺杂其它材料做成正极。
据小道消息透露宁德时代M3P电池的正极材料即掺杂了三元锂材料与磷酸锰铁锂材料,这一方案能解决磷酸锰铁锂电池循环寿命短、内阻大的问题。M3P电池的能量密度较磷酸铁锂电池提升约15%,可达Wh/kg,成本与磷酸铁锂电池相当。
蔚来自研电池的技术方向之一也是磷酸锰铁锂电池,技术路线和宁德时代M3P电池类似。
M3P电池是宁德时代未来乘用车解决方案的重要部分。宁德时代首席科学家吴凯上周在世界动力电池大会上表示,宁德时代未来将新能源汽车分为0公里续航、公里续航和-公里续航3个细分市场。在公里的主流新能源汽车市场,宁德时代的解决方案是M3P电芯+麒麟电池结构。这两种技术可以组合使用。
目前磷酸锰铁锂量产存在的瓶颈
磷酸锰铁锂的加工技术存在难以克服的难点。江苏力泰曾举办了关于磷酸锰铁锂的专享交流会议,其中就提到铁锂是半导体,而锰铁锂是绝缘体导电性差。锰铁锂的颗粒很小导致加工技术路线很难,还有倍率性能差、首圈效率低、双电压平台、锰溶出等技术瓶颈存在,限制了磷酸锰铁锂正极材料的应用发展。
在产能方面,磷酸锰铁锂虽然是磷酸铁锂的进化,但却因为磷酸锰铁锂中增加了锰这种原材料,因此整个合成配方都需要改变,造成整个生产体系与磷酸铁锂差异巨大。磷酸锰铁锂产线很难通过改造磷酸铁锂产线获得,仍需新建新的产能增加成本投入。
解决难点的办法
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。
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。
磷酸锰铁锂市场应用路径
磷酸锰铁锂单用混用均有优点
A:单独使用,材料做成极片压实密度可到2.3-2.5g/cm3,0.2C放电比容量可到mAh/g以上,0.2C放电中值电压可到3.75V,材料相对于磷酸铁锂具有较高的能量密度,相对于三元材料具有较优的安全性能。
B:磷酸锰铁锂复合20%三元材料,压实密度可到2.5-2.8g/cm3,0.2C放电比容量可到mAh/g,复合少量三元后材料放电曲线双平台可变为平滑曲线,两平台压降斜率减小,减轻对用电器的冲击,可使用现有三元电池管理系统,使磷酸锰铁锂大批量使用变为现实。
C:磷酸锰铁锂复合80%三元材料,压实密度可到3.2-3.4g/cm3,0.2C放电比容量可到mAh/g,对三元材料的能量密度影响不大,但是三元材料加入少量LMFP不但提高了三元材料的安全性能,并且降低了三元电池体系的整体成本。
(1)二轮车电动车市场
据GGII统计,年中国二轮车锂电池出货量为10.5GWh,同比增长8.2%,因为两轮电动车等小电动范畴的电池认证周期较短,磷酸锰铁锂技术推广较快。另外两轮电动新国标对电动车的重量要求,市场慢慢抛弃过于重的铅酸电池,锂电池已逐步上量。EVTank预计年锂电版电动两轮车的电池需求达到45.9GWh。目前,磷酸锰铁锂已成为众多厂商的重要战略方向,产业化布局不断加速,
星恒电源和天能电池走在前列。在小牛最新款的F0系列电动车上应用了天能生产的号磷酸锰铁锂电池,比较突出的是其低温性能提升超过25%。
星恒研发团队经过了锰酸锂+三元,单晶锰酸锂/锰酸锂+磷酸锰铁锂,单晶锰酸锂/锰酸锂+磷酸锰铁锂+三元等难计其数的各种配方验证之后,年,第二代混掺单晶锰酸锂搭配磷酸锰铁锂得到的材料性能最为理想。
最新消息显示,应用星恒第二代混掺单晶锰酸锂+磷酸锰铁锂复合材料的电芯已通过极其严苛的10V过充和满电针刺测试,保障超高安全性!星恒第二代混掺单晶锰酸锂+磷酸锰铁锂复合材料电芯还具有超长寿命(电芯循环超0次)、超强稳定(-20℃~55℃放电量超90%,极端温度稳定运行无损伤)等特性!星恒推出了“LONG终身保”产品,已大量用在雅迪、绿源等电动车上。
(2)新能源电动车市场
除了特斯拉、宁德时代、比亚迪等,还有众多电池产业链公司均开始涉足磷酸锰铁锂的研发工作。
国轩高科已申请大量正极材料相关专利,自主研发的“FP1865-15Ah方形磷酸锰铁锂锂离子蓄电池”曾获得安徽省新产品的荣誉。
当升科技在机构调研中表示,磷酸锰铁锂材料已完成开发,各项性能指标良好,目前处于客户认证阶段。
孚能科技在战略发布会上表示,年将推出磷酸锰铁锂第一代电池。
合纵科技表示,公司于去年开展磷酸锰铁锂前驱体产品研发,目前已完成多型号磷酸锰铁锂前驱体产品中试,并开始向下游新能源企业送样测试。
德方纳米新型磷酸锰铁锂已开始送样,预计1-2年后可实现产业化。公司去年拟在云南曲靖投资20亿元建设“年产10万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地项目”,今年1月,再次宣布投资75亿元扩产33万吨新型磷酸盐系正极材料,新项目的建设内容或为磷酸锰铁锂产品。
今年1月,由中贝科技、鹏冠新材料、百民冠达共同投资的中贝材料3万吨磷酸锰铁锂项目落户山西;6月9日,中贝材料锂电智能制造一期项目年产万吨磷酸锰铁锂材料智慧工厂全面交付并完成投产。
7月14日,富临精工在投资者交流平台上表示,公司子公司江西升华具有磷酸锰铁锂(LMPF)的技术工艺和产品研发及产能规划。
另外,光华科技、天津斯科兰德、江苏珩创纳米等公司也在布局磷酸锰铁锂。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。
随着碳包覆、纳米化、补锂技术等改性技术的进步,磷酸锰铁锂产业化进程开始加速。当磷酸锰铁锂电压不稳定等问题得到解决,磷酸锰铁锂市场前景广阔。
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