2022年磷酸锰铁锂专题分析.docx

2022年磷酸锰铁锂专题分析1、正极材料：锂离子电池性能与成本重要的决定因素1.1、锂离子电池工作原理锂离子电池是一种“摇椅”电池：锂离子电池是一种锂离子电池是一种在储能领域、 动力电池及便携式电子设备中均得到广泛应用的一种储能器件，其具有开路电压高、 能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染及自放电小等优点，是目前综合性能 最好的电池产品，也是可适用范围最广的电池产品。锂离子电池由正极、负极、电解 液、隔离膜等其他部分组成，其工作原理为：锂离子充放电过程中，锂离子在正负极 之间嵌入和脱出，同时伴随着电子在外电路中进行移动而形成外部电路的电流。充电 时，电池正极生成锂离子，经过电解液移动到负极并嵌入到负极碳层的微孔中。放电 时，嵌在负极的锂离子经过电解液移动回到正极。1.2、正极材料是决定电池性能的重要因素正极材料是锂离子的来源，决定锂离子电池的性能。正极材料是锂电池电化学性能 的决定性因素，直接决定电池的能量密度及安全性，进而影响电池的综合性能。另外， 由于正极材料在锂电池材料成本中所占的比例超过 40%，其成本也直接决定了电池整体 成本的高低，因此正极材料在锂电池中具有举足轻重的作用，并直接引领了锂电池产业 的发展。锂电池一般按照正极材料体系来划分，可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元 材料等多种技术路线。其中，钴酸锂正极材料作为第一代商品化的锂电池正极材料，具 有电化学性能较好、加工性能优异、比容量相对较高的优点，在小型充电电池中应用广 泛。但钴酸锂材料成本高（金属钴价格昂贵）、循环寿命低、安全性能差，近年来被三元正极材料替代部分市场份额。在超薄电子产品领域，因钴酸锂体积能量密度及倍率性能 好等优势还无法实现替代。预计未来钴酸锂正极材料会朝高压实性和高安全性的方向发 展。而锰酸锂是除钴酸锂之外研究最早的锂电池正极材料，相比钴酸锂，具有资源丰富、 成本低、无污染、安全性能好、倍率性能好等优点。但其较低的比容量、较差的循环性 能，特别是高温循环性能较差使其应用受到了较大的限制。锰酸锂电池将主要在物流车， 以及在注重成本、对续航里程要求相对低的微型乘用车领域具有一定市场份额。目前应用最为广泛的正极材料则是磷酸铁锂和三元材料，其中三元材料能量密度高、 电化学性能好，目前通常在乘用车领域尤其是长续航、高性能乘用车应用最为广泛。磷 酸铁锂则具有安全性高、成本低等优点，在电化学储能领域和商用车领域应用较多，同 时随着系统结构的优化，磷酸铁锂电池越来越多地应用于中端乘用车。1.3、磷酸铁锂电池成为动力电池市场主流磷酸铁锂电池成为市场主流：2021 年以前，三元电池得益于能量密度高等优势，在 动力电池市场占据了绝对的优势，在 2019 年 6 月份，中国三元电池装车辆占了总装车辆 的 70%以上，而磷酸铁锂只有仅仅 27%的份额。2022 年 8 月，中国磷酸铁锂电池装车辆 已经占据总装车辆的 62%，而三元电池份额降低到了 38%。我们认为主要原因是：1）大 电芯设计方案和系统结构的优化将磷酸铁锂电池的能量密度有效提高，装备磷酸铁锂电 池的新能源车续航能够达到 500km 以上，基本满足城市通勤和短途旅行的需求；2）当续 航里程达到 500km 左右时，大家更关注电池的安全性能而不是续航里程更极限的提升，而磷酸铁锂电池较三元电池拥有更好的安全性能。1.4、电动车渗透率进一步提升需要电池技术的持续迭代磷酸铁锂电池需要提升电压来支撑高渗透率：随着国家政策的支持和电动车产品力 的不断提升，中国的电动车渗透率已经由 2017 年年初的 0.91%提升到了 2022 年 8 月的 27.95%。我们认为，渗透率的进一步提升驱动力将主要来源于电池技术的持续进步，尤 其是需要高安全、高能量密度的电池技术。然而，随着设计上的持续优化，磷酸铁锂作 为当前最受欢迎的电池正极材料，其比容量基本已经到达了材料极限，电芯和系统的设 计优化也已经逐步接近极限。因此，在比容量一定的情况下，如果磷酸铁锂电池需要在 保持现有安全性的前提下进行能量密度的进一步提升，则需要从提升材料的电压平台的 方向上着手。2、磷酸锰铁锂电池：低成本，高电压2.1、磷酸铁锂升级方案磷酸锰铁锂是升级版磷酸铁锂：当前可行性相对较高的磷酸铁锂升级方案即为磷酸 锰铁锂方案，此方案是在磷酸铁锂的基础之上掺杂一定的锰元素并调整其与铁的原子数 量之比（锰铁比）以此提高材料的电压平台，而磷酸锰铁锂(LMFP，LiMn1 xFexPO4)就是 磷酸铁锂升级后的产品，其中 X 是锰铁比，其与磷酸铁锂和磷酸锰锂的性质相似，较三 元材料有更好的热稳定性、化学稳定性及经济性，同时又比磷酸铁锂的能量密度更高。2.2、磷酸锰铁锂与三元及磷酸铁锂的比较与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂电压平台、能量密度更高。相较于磷酸铁锂，磷酸锰 铁锂拥有更高的电压平台，磷酸锰铁锂电压可以达到 4.1V 左右，而磷酸铁锂在 3.4 3.5V 左右，两者有着相同的理论克容量，因电压更高，因此在相同条件下磷酸锰铁锂理论能 量密度比磷酸铁锂高 15 20。在成本方面，磷酸锰铁锂的成本与磷酸铁锂相当，具备 较好的经济性。与三元材料相比，磷酸锰铁锂安全性更高，成本更低。相较于三元材料的层状结构， 磷酸盐系材料的橄榄石型结构额外增加结构支撑，因此充放电锂离子嵌入和脱出过程中 不易发生结构崩塌，同时磷酸锰铁锂中 P 原子通过 P-O 强共价键形成 PO4 四面体，O 原子很难从结构中脱出，这使得磷酸锰铁锂具备热稳定性好、安全性高、使用寿命长的 优点。同时，磷酸锰铁锂避免了使用贵金属，因此成本低于三元材料。3、磷酸锰铁锂材料开发与制备工艺3.1、锰铁比例决定电化学性能磷酸锰铁锂材料中锰铁比例的不同，会导致材料的电化学性能和物理形态的差异。 随着锰离子比例的提升，电池的电压和能量密度能够得到相应的提升，但是同时材料会 出现大量的缺陷和孔隙，没有完全形成均一的固溶体，大量的缺陷和孔隙极有可能延长 锂离子的嵌入迁出，降低离子迁移速率。这意味着在电压平台更高的同时，低导电率、 与电解质副反应等问题也越来越严重，从而导致电池循环性能变差。另一方面，铁含量 提升能够带动锂电池导电性和倍率性能的提高，然而过多的铁元素掺杂会使磷酸锰铁锂 电压提升效果有限从而导致能量密度较磷酸铁锂优势不明显。目前对于最佳的锰铁比没有统一的定论，锰铁比为 4:6 左右时具有较为理想的能量 密度。对于固态制备方法，当锰含量增加至 0.8-1.0 时，虽然放电中压能接近 4.0V，但是 放电比容量会出现大幅衰减，从而导致实际能量密度反而出现下降。当锰含量为 0.4 时， 尽管放电中压仅为 3.48V，但是克容量不会出现明显衰减，从而其实际能量密度能够达到 相对最优的 557Wh/kg。3.2、制备工艺与磷酸铁锂相似磷酸锰铁锂与磷酸铁锂均属于磷酸盐系材料，因此制备工艺类似，可以分为液相法 和固相法两大类。固相法是传统的材料制备方法，其包括高温固相法和碳热还原法等， 优点是工艺简单同时易于大规模生产，缺点是混合均匀性较差、不易控制材料粒径的分 布和形貌。而液相法则包括溶剂热法、共沉淀法、溶胶凝胶法等，优点是材料组分分布 均匀，可以有效防止富锰相的聚集。3.3、磷酸锰铁锂的三大缺陷3.3.1、导电性能和倍率性能差磷酸锰铁锂的材料晶体结构特性决定了其导电性能和倍率性能较差。磷酸锰铁锂具 有橄榄石型结构，该结构最大的优势是稳定性高，即使在充电过程中锂离子全部脱出， 也不会发生结构崩塌，因此安全性能好。但是，FeO6 和 MnO6 位于八面体上，不存在连 续的 FeO6（MnO6）共棱八面体网络，而是通过 PO4 四面体连接，这使得其导电性很差。 与此同时， PO4 四面体位于 FeO6（MnO6）八面体之间，阻塞了锂离子扩散通道，限制 锂离子仅能在一维通道中运动，导致锂离子的扩散速率比较低，表现出较差的倍率性能。 这些缺点导致磷酸锰铁锂无法完全发挥其电化学性能，也限制了其进一步的大规模商业 应用。3.3.2、双电压平台增加BMS难度磷酸锰铁锂充放电存在两个电压平台，增加了电池管理系统的难度。由于锰、铁的 充放电电压不同，磷酸锰铁锂充放电存在两个电压平台，对应锰与铁的氧化还原，在 3.5V 附近的平台为 Fe2+转化为 Fe3+，在 4.1V 附近对应 Mn2+转化为 Mn3+。3.3.3、锰溶出影响电池循环性能锰离子的姜泰勒（John-Teller）效应导致锰溶出，降低电池的循环寿命。由于姜泰勒 （John-Teller）效应的存在，Mn3+富集于正极颗粒表面，扭曲 MnO6 八面体，导致晶格畸 变和结构稳定性降低，影响稳定性和循环性。与此同时，溶解的锰离子会在负极发生还 原反应析出，对 SEI 膜造成破坏，致使更多的活性锂在 SEI 膜修复的过程中被消耗掉， 从而影响电池的循环寿命。3.4、磷酸锰铁锂技术改性方案3.4.1、碳包覆碳包覆能有效提升材料导电性能和循环性能。将导电材料包覆在磷酸锰铁锂材料表面能够构建导电网络，增加材料的导电性能和电池的倍率性能。此外，碳包覆可以有效阻止磷酸锰锂颗粒进一步长大以及阻止电解液中HF对正极材料的侵蚀作用，提高正极材料的循环性能。选择合适的碳含量在碳包覆过程中较为重要，过高的碳含量会使材料的克容量大幅下降，而过低的碳含量无法有效提高材料的导电性能和电池的倍率性能。通常碳包覆过程为：将原材料与碳源球磨混合，然后在高温下进行煅烧形成碳包覆层，其中常见的碳源包括蔗糖、葡萄糖等。3.4.2、离子掺杂离子掺杂是从晶格内部改变材料的导电性和离子扩散性能，掺杂离子可使晶格产生 缺陷，并可抑制姜泰勒（John-Teller）效应，从而提高材料性能。常见的掺杂元素包括： Mg、Co、Ni、Cr、Zn、Cu、V、Ti、Zr、Nb。目前来看，掺杂 Mg2+的方法应用和研究 最为广泛，由于 Mg2+的半径小于 Mn 和 Fe，因此磷酸锰铁锂橄榄石结构中 LiO6 八面体 的 Li-O 共价键键长变长，较大间隙有利于锂离子迁移，提升了材料的导电性能，也有 利于材料容量的发挥。同时，镁离子大小介于二价锰离子和三价锰离子之间，可过渡二 价锰到三价锰的转化，从而锰元素价态转换造成的结构坍塌问题可以得到缓解，材料结 构变得更加稳固，锰溶出得到有效抑制。3.4.3、纳米化纳米化通过减小材料晶体粒径改善倍率性能和其他电化学性能。纳米化通过机械球 磨、控制煅烧温度等方法来减小材料晶体粒径，从而缩短锂离子扩散路径，锂离子迁移 的效率得到提升，从而提升了材料的倍率性能。减小晶体粒径的同时，材料的比表面积 得到提升，从而增大与电解液的接触界面，电极界面阻抗降低，从而电化学性能也能得 到相应的改善。4、磷酸锰铁锂电池应用市场广泛4.1、续航700km的中端车有望大规模应用磷酸锰铁锂电池能够支持电动车续航达到 700 公里。近期发布的搭载磷酸铁锂电池 的问界 M5 EV 标准版 CLTC 续航里程已经可以达到 620 公里，而磷酸锰铁锂电池在保证 安全性的前提下，能量密度相较磷酸铁锂将会进一步提升。未来磷酸锰铁锂体系加上 CTP、 CTC 等系统成组效率的持续优化，我们认为对应的电动车续航里程能够超过 700 公里。 磷酸锰铁锂单 Wh 成本低于磷酸铁锂。根据物料平衡法则和部分磷酸铁锂和磷酸锰 铁锂项目环评报告的数据，在供应链成熟的情况下，我们测算出来磷酸锰铁锂的原材料 成本比磷酸铁锂原材料成本高 1%以下（碳酸锂价格为 50 万元/吨的情况下）。由于两种 材料之间的生产工艺存在很大的相似性，在未来磷酸锰铁锂生产规模足够大的情况下， 我们认为两种材料的人工成本、能耗成本、设备折旧成本均会在同一水平。因此，两种 材料的单吨成本基本在同一水平，而磷酸锰铁锂有更高的能量密度，从而磷酸锰铁锂的单 Wh 成本会低于磷酸铁锂成本 5%-15%。续航 700 公里的电动车有望规模应用。综上来看，磷酸锰铁锂电池安全性方面和磷 酸铁锂相当，能量密度优于磷酸铁锂。在其规模化之后，单 Wh 成本也将优于磷酸铁锂， 且能支持电动车续航里程超过 700 公里，我们认为未来 700 公里左右续航里程的中端电 动车将会大规模应用磷酸锰铁锂电池。4.2、市场空间测算我们认为未来磷酸锰铁锂的市场主要为动力电池市场，且主要应用车型为续航 700 公里左右的兼顾经济性、安全性的中端电动车。假设 2025 年磷酸锰铁锂电池在动力电池 中的渗透率达到 18%，那么对应磷酸锰铁锂电池需求量为 234GWh，与之对应的磷酸锰 铁锂正极材料的需求量为 46.8 万吨。假设 2025 年碳酸锂价格回落至 20 万元/吨，对应的 磷酸锰铁锂正极材料价格为8万元/吨时，则2025年磷酸锰铁锂正极材料市场空间为374.4 亿元。5、电池厂商和材料厂商共同推进磷酸锰铁锂的商业化5.1、宁德时代：M3P电池即将推向市场5.1.1、公司整体经营情况：电池龙头，动力电池市占率34.8%新能源电池龙头企业，2022 年二季度利润修复明显：公司为全球新能源电池龙头企 业，二季度实现营业收入 642.93 亿元，同比增长 158.12%，环比一季度增长 32.08%；实 现归母净利润 66.75 亿元，同比增长 163.91%，环比增长 347.16%，业绩环比一季度大幅 好转。公司二季度毛利率 21.84%，环比增长 7.36 pcts，净利率 11.97%，环比增长 7.91 pcts。 我们认为盈利修复的原因主要是：1）公司二季度开始向下游客户的涨价机制陆续落地， 传导了碳酸锂价格上涨造成的成本压力。2）二季度部分原材料价格开始出现下滑，同时 公司开始向上游议价，原材料成本下降。全球市占率 34.8%，海外客户持续突破：公司动力电池使用量连续 5 年位列全球第 一，2022 年上半年全球市占率达 34.8%，比去年同期增长 6.2pcts。公司前期取得的海外 动力电池客户定点实现大规模量产交付，在产品、技术、交付与服务方面持续获得海外 客户认可。公司海外客户合作深化，福特汽车宣布与公司建立全球战略合作关系，合作 内容涵盖在中国、欧洲和北美的动力电池供应。同时，公司还拟在欧洲匈牙利投资建设 电池工厂，进一步完善全球战略布局。技术领先，研发投入高增：公司持续加大研发投入，2022 年上半年研发费用投入达 57.7 亿元，同比增长 106.5%。动力电池方面，2.2C 快充三元产品国内首家在乘用车上得 到应用，AB 创新成组方式批量推广；储能电池方面，基于长寿命电芯技术、液冷 CTP 电箱技术推出的户外预制舱系统 EnerC 批量交付超过 4GWh。在电池系统结构创新方面， 公司发布第三代 CTP麒麟电池，系统集成度创全球新高，体积利用率突破 72%，能量密度可达 255Wh/kg，可支持实现 1000 公里续航；通过全球首创的电芯大面冷却技术， 可支持 5 分钟快速热启动及 10 分钟快充，实现了续航、快充、安全、寿命、效率以及低 温性能的全面提升。此外，公司在钠离子电池、M3P 电池、大圆柱电池等新技术上均有 完善的技术储备，为公司未来的产品竞争力提供了坚实的保障。5.1.2、磷酸锰铁锂电池布局情况：提前布局产业链，2023年M3P电池推向市场提前布局磷酸锰铁锂产业链，投资力泰锂能：2021 年 11 月，公司投资磷酸锰铁锂正 极材料供应商力泰锂能，持股高达 60%。力泰锂能是国内较早做磷酸锰铁锂材料的公司， 其自主研发的纳米级磷酸锰铁锂材料，基于纳米晶立体网状多孔磷酸铁锂正极材料（3D Meshy Nano-LFP）技术，实现了一次粒子纳米化、二次粒子具有立体网状导电功能，有 效解决了传统 LFMP 的电阻问题，具有良好的倍率性能、循环性能、低温性能和加工性 能，优异的安全性。计划 2023 年将 M3P 电池推向市场：在 22 年 7 月世界动力电池大会及其他多个公 开场合上，宁德时代表示，公司研发的 M3P 电池已经量产，其能量密度高于磷酸铁锂 电池，成本优于三元锂电池，预计在 2023 年推向市场。根据公司的信息，公司计划推 出的新产品 M3P，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，成本较三元下降，但仍然占据新能源车一定成本。我们认为 M3P 电池为通 过 Mg2+掺杂等方式进行体系优化后的磷酸锰铁锂电池，其将在 2023 年首先应用于知名 品牌畅销车型，之后将有更多的车型搭载 M3P 电池。5.2、德方纳米：年产11万吨LFMP正极材料项目已投产5.2.1、公司整体情况：深耕锂电材料产业15年液相法正极材料生产头部企业：德方纳米深耕锂电材料产业 15 年，是全球技术领先 的液相法正极材料生产企业，主要产品纳米磷酸铁锂市场占有率位居行业前列，产品在行业领域内保持领先的技术优势和市场优势。公司积累了深厚的技术成果，发明专利数 量遥遥领先于其他磷酸铁锂厂家，拥有三大省级技术平台，独创两项核心技术，被评为 工信部“专精特新小巨人企业”、工信部制造业单项冠军示范企业。凭借在技术开发、生 产经营、产业建设、管理方面的积累和创新，公司已经具备较强的技术创新能力、客户 服务能力和产品供应能力，综合竞争力处于行业领先水平。2022 年 1-6 月，公司实现营业收入 75.57 亿元，同比增长 492.89%；实现归属于上市 公司股东的净利润 12.80 亿元，同比增长 847.44%。截至 2022 年 6 月 30 日，公司总资产 为 221.76 亿元，较年初增长 147.11%，归属于上市公司股东的所有者权益为 77.42 亿元， 较年初增长 150.77%。单看二季度，公司实现收入 41.83 亿元，同比增长 446.9%，环比 增长 24%；归属净利润 5.18 亿元，同比增长 514.0%，环比下滑 32%，扣非净利润 5.01 亿元，同比增长 517.73%，环比下滑 34%，二季度利润率下滑的主要原因是低价库存碳 酸锂收益逐渐消耗。5.2.2、磷酸锰铁锂布局情况：年产11万吨正极材料项目已投产，25年产能达44万吨/年年产 11 万吨材料项目投产：曲靖德方年产 11 万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地 项目于 2022 年 1 月启动建设，2022 年 9 月建成投产，是目前全国已建成投产最大单体产 能的磷酸锰铁锂正极材料项目。德方纳米充分延续独家首创的“液相法”优势，运用“涅 甲界面改性技术”和“离子超导技术”等核心技术，有效解决了磷酸锰铁锂导电性能与 倍率性能差的难题，使得磷酸锰铁锂的产业化进程进一步加速。本次投产的磷酸锰铁锂 产品对比磷酸铁锂，能量密度提升 15%-20%，同时其充放电结构稳定，实现了能量密度 与安全性的平衡。从单瓦时能量密度的角度看，整个电池系统的装机成本上，磷酸锰铁锂电池略低于磷酸铁锂电池，并且大幅低于三元电池，可以实现对中镍三元材料的替代。2025 年底磷酸锰铁锂产能达到 44 万吨/年：根据公司规划，到 2025 年底，磷酸铁 锂产能达到 34.5 万吨/年，磷酸锰铁锂产能达到 44 万吨/年，补锂剂产能达到 2.5 万吨/年。 我们认为，公司投产的磷酸锰铁锂有望大规模在市场上应用，同时也会促进电动车的产 品竞争力的提升。