磷酸铁锂（LFP）电池概述！

“碳达峰、碳中和”是我国构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要举措，而构建以新能源为主体的新型电力系统是我国能源电力领域实现“双碳”目标的主要方式。风电、光伏等清洁能源具有波动性和间歇性等特点，配置大规模储能系统有利于提高这些清洁能源并网，其中锂离子电池储能是发展最迅速且有望满足大规模储能应用需求的关键技术。锂离子电池储能电站可与分布式和集中式新能源发电模式联合应用，是解决新能源发电并网问题的有效途径之一，将随着新能源发电规模的日益增大以及电池储能技术的不断发展，成为支撑我国清洁能源发展战略的重大关键技术。

锂离子电池技术的发展加速了电子设备便携化进程。自从1991年首次进入市场以来，锂离子电池彻底改变了我们的生活。磷酸铁锂电池具有价格低廉、环境友好、安全性高和循环寿命长等优势，现已被大规模应用于电动汽车市场和规模储能等领域（见图1）。

图1 磷酸铁锂电池的应用场景

磷酸铁锂正极材料最早是由John B.Goodenough教授在1997年研发出来，鉴于John B.Goodenough教授在电池领域的突出贡献，在2019年他被授予诺贝尔化学奖（见图2）。我国非常注重对磷酸铁锂电池的研发和产业化，相应的产业链已经非常成熟，据不完全统计，2021年磷酸铁锂电池年产量已突破100GWh规模。目前，宁德时代基于预锂化技术所开发的磷酸铁锂电池的循环寿命已经提升到了12000次。

图2 磷酸铁锂材料的发明人John B.Goodenough教授荣获2019年诺贝尔化学奖

原理与材料体系

1.1 磷酸铁锂电池的反应原理

1）磷酸铁锂电池正极反应原理

磷酸铁锂（LiFePO4，可简写为LFP），属于橄榄石型结构，Pnma空间群，理论比容量为170mAh/g，相对于Li/Li+的工作电压为3.4V，具有循环稳定性好、毒性低、热稳定性高和价格低廉等优势（见图3）。

图3 磷酸铁锂的晶体结构

磷酸铁锂和其充电产物磷酸铁的具体晶胞参数见表1。

表1 磷酸铁锂和磷酸铁两相的晶胞参数

但是，磷酸铁锂本征的电子电导率偏低(10-10~10-9S/cm)，其锂离子传导性也较差，扩散系数大约为10-14cm2/s。磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料在充放电的过程中经历着LiFePO4和FePO4两相互相转化，即LiFePO4←→xFePO4+(1-x)LiFePO4+xLi++xe-，此过程受到锂离子扩散速率和电子迁移速率的控制，磷酸铁锂充放电过程中的两相演化过程如图4所示。橄榄石型结构使磷酸铁锂在充放电前后能够保持结构稳定，另外晶体中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充等条件下也不会导致结构崩塌和强氧化性物质的形成，因此具有良好的安全性和循环性能。

图4 磷酸铁锂充放电过程中的两相演化过程

关于磷酸铁锂两相反应机理研究的争论从未停止，比较主流的观点有如下几种：

Andersson等利用中子粉末衍射技术对磷酸铁锂正极材料展开研究，并提出了核壳模型和马赛克模型。两种模型示意图如图5所示，图5a为核壳模型，该模型实际上和Padhi提出的模型相同，在充放电过程中，FePO4/LiFePO4界面推移，非活性的磷酸铁或磷酸铁锂存在于晶粒内部造成了容量损失。根据以上分析，他们在核壳模型基础上提出了新的马赛克模型。在充电时，伴随着锂离子从磷酸铁锂晶粒内部的脱出，FePO4相区域不断扩展，最终分离的相区连接成片，但是颗粒内部依然残存没有参与电化学反应的磷酸铁锂，因此会造成容量损失（见图5b）。在放电时，锂离子再次嵌入到磷酸铁晶粒中，逐渐形成周围嵌锂和中间没有锂离子嵌入的模型，造成容量损失。上述模型虽然能够很好地解释容量损失的机理，但是没有结合磷酸铁锂的橄榄石型结构及它仅具有一维脱嵌锂通道的事实。

图5 磷酸铁锂两相模型 a)核壳模型 b)马赛克模型

基于第一性原理，Morgan等在2014年对磷酸铁锂中锂离子的扩散特性进行探索，发现磷酸铁锂中的一维扩散通道主要是沿着b轴方向，该研究结果也得到Islam的证实。通过先进的高温中子衍射实验，Nishimura等早在2008年证明了一维扩散通道主要是沿着b轴方向。因此，b轴方向的一维扩散通道对磷酸铁锂中锂离子的扩散起着关键的作用。

通过高分辨的透射电子显微镜技术观察磷酸铁锂的嵌锂行为，Chen等发现磷酸铁锂和磷酸铁的两相转变界面优先发生在bc面，主要是由于该过程有利于降低相变过程中伴随的结构畸变。此外，发现最高的迁移率发生在b轴方向。根据研究结果其提出了新的核壳模型，如图6所示。新的模型认为在充电时，磷酸铁锂晶粒内部的锂离子先脱出形成磷酸铁相，两相界面由颗粒内部向颗粒外侧运动；放电时，发生相反的过程，磷酸铁锂和磷酸铁的两相界面由晶粒外向晶粒内逐步迁移，因此，上述研究都表明，由于b轴方向锂离子扩散速度最快，两相界面在晶粒内部生成并且垂直于b轴。

图6 磷酸铁锂两相反应的各向异性核壳模型

Delmas等结合先进表征手段对LiFePO4纳米晶粒的脱嵌锂机制进行研究。对脱嵌锂过程中局部的磷酸铁锂观察发现，对于特定的磷酸铁锂纳米颗粒，为全部的FePO4相或全部的LiFePO4相，因此提出了适用于磷酸铁锂纳米颗粒的新模型，当锂离子发生脱出时，与较慢的成核过程相比，生成的FePO4新相会迅速长大，纳米颗粒也将迅速地从LiFePO4相变为FePO4相，该模型即为多米诺骨牌模型，如图7所示。

图7 磷酸铁锂两相反应的多米诺骨牌模型

2）磷酸铁锂电池石墨负极反应原理

目前商业化磷酸铁锂电池中的负极大多数是采用石墨负极。Herold于1955年首次发现石墨嵌锂时所形成的嵌锂态锂碳化合物(Li-GIC)，这引起了对于碳材料的广泛研究。石墨呈现蜂窝状的层状结构，主要有六边形的2H相和菱形的3R相两种晶相（见图8）。在这两种晶相中，层内的C-C键长为0.142nm，层间距为0.336nm。这两种晶相可以通过研磨或者加热至高温实现转换。石墨的晶体参数主要有La、Lc和d002，其中La为石墨晶体沿a轴方向的平均大小，Lc为石墨在垂直于c轴方向的厚度，d002为石墨片间距。锂离子的脱嵌主要发生在石墨的c轴方向上，嵌锂时形成LiC6化合物，理论比容量为372mAh/g。锂离子在石墨中的脱嵌平台为0～0.25V，可与提供锂源的正极材料匹配，组成的全电池具有较高工作电压。

图8 2H相和3R相石墨中碳层的堆积顺序

如图9所示，科学家对石墨中锂离子的嵌入过程进行了划分。首先是阶段1L，锂离子以固溶体的形式嵌入石墨层间；由阶段1L转化形成阶段4，完成一级相变转化，出现第一个平台；由阶段4到阶段3的转变，伴随斜坡电压的降低；由阶段3到阶段2的转化，温度的影响较大，主要是石墨烯层间锂离子浓度的提升，以及层间锂离子有序性的提升；由阶段2到阶段1伴随着一个较长的反应平台，对应着石墨嵌锂的一半容量，锂离子浓度进一步增加，排列更加有序化。

图9 石墨负极的嵌锂离子原理图

1.2 磷酸铁锂电池的主要材料

1）磷酸铁锂正极材料

磷酸铁锂电池正极材料体系可以分为天然磷铁锂矿和人工合成磷酸铁锂材料。其中，天然磷铁锂矿中含有Mn杂质，且易风化，其电化学性能较差，一般不直接用作磷酸铁锂正极材料。人工合成的磷酸铁锂正极材料，通过合成工艺可以有效地改善磷酸铁锂导电性差和锂离子扩散慢的问题，因此具有良好的电化学活性。合成方法 会直接影响材料的晶体结构、微观形貌等，从而严重影响LiFePO4的性能，研究者采用多种技术来合成高性能的LiFePO4材料。

磷酸铁锂正极材料的制备方法，根据主要原料（铁源）和合成路线的不同，主要可以分成三类：

①二价铁高温固相烧结合成法。合成方法是以二价亚铁盐为铁源，通过球磨混合均匀后，在保护气氛下加热到800℃左右，合成磷酸铁锂。受限于二价铁在制备过程中发生氧化，因此该方法的批次稳定性较差。

②液相反应法。合成步骤包括液相反应和烧结。此类方法的优势是颗粒尺寸细小，倍率性能好，技术难度低。该方法包括：溶胶凝胶法、水热法和共沉淀法等。目前该工艺路线的主要缺点仍是原料中的二价铁易被氧化，严重影响材料的批次稳定性，规模化生产时废液处理负担大。其中共沉淀法是指原料以多种离子形式存在于溶液中，通过进行化学反应，生成沉淀产物再加热处理。共沉淀法的优点是制备工艺简单、成本低、条件易控制、合成时间短、产物颗粒细、粒径分布窄、形态易于控制。

③三价铁固相合成法。该工艺路线采用三价铁化合物（Fe2O3或者FePO4）为铁源，通过高温固相反应合成磷酸铁锂。此工艺路线具有原料成本低廉、生产过程无废液排放等优点，但合成技术的难度和生产过程的控制条件较高。

磷酸铁锂存在着离子导电性差和电子导电性差的问题，碳包覆常常被用于磷酸铁锂体系，能够显著提升磷酸铁锂体系的倍率性能（见图10）。其中碳热还原法基于三价铁固相合成法，以高分子聚合物裂解产生的还原性气体和蔗糖分别作为还原剂和碳源，通过氮气保护下的较低温度焙烧，一步完成三价铁的还原、磷酸铁锂的合成和表面碳包覆。碳热还原法是目前工业界使用最广的技术。Yang等采用FeOOH、LiH2PO4和酚醛树脂为原料，通过碳热还原法制备了磷酸铁锂/聚并苯(PAS)复合材料，碳热还原法一步实现了材料的合成和碳的包覆，因此表现出优异的倍率性能。

图10 磷酸铁锂表面的碳包覆

磷酸铁锂材料的不足为电子电导率和离子迁移率较低。目前对磷酸铁锂的改性主要集中在提高电子电导率和锂离子扩散速率等难点问题。磷酸铁锂材料的优化主要涉及：合成工艺优化，形貌和粒径的优化；表面结构优化（表面修饰改性）；体相结构优化（离子掺杂改性）。

①合成工艺优化实现形貌和粒径的优化。磷酸铁锂在脱嵌过程中晶格产生膨胀和收缩，但是晶体结构中八面体之间的PO4四面体限制体积变化，降低Li+扩散速率。此外，当LiFePO4与FePO4两相共存时，锂离子和电荷补偿要经过两相界面，不利于扩散。因此，颗粒的形貌和大小对材料的性能有较大影响。通过颗粒尺寸和形貌的优化，缩短Li+扩散路径，利于Li+脱出嵌入，进一步提高电化学性能。

②表面结构优化。主要是通过碳材料的包覆提高电极材料的电化学性能。碳材料的主要作用如下：一方面，碳材料增强了LiFePO4颗粒间的导电性，有利于减小电池极化；另一方面，碳材料为电子传输提供了导电网络，最后合成过程中的碳包覆可以抑制晶粒长大，细化尺寸和缩短锂离子传输距离，从而提高LiFePO4的电化学性能。

目前，碳材料包覆的方法有：

a，添加炭黑，使得炭黑与活性材料物理混合，改善材料的导电性。但物理混合过程很难实现均匀混合。

b，加入有机物，通过高温裂解，在LiFePO4颗粒表面形成碳包覆层，尽管这种碳包覆效果有所提高，但后续高温处理过程对产物性能具有一定的影响。

c，引入高电导率的石墨烯、碳纳米管等新型碳材料，通过新型碳材料构筑起具有更高导电性能的网络，提高材料的电化学性能。

③离子掺杂改性。提高LiFePO4导电性能，掺杂是增强材料结构稳定性、提高材料电导率的重要手段。目前，掺杂的阳离子主要有Nb5+、Zr4+、Ti4+、Mo6+、Mg2+、Cr3+、V5+、Co2+、Cu2+等，阴离子主要有Cl-和F-。Chung等对LiFePO4进行高价金属离子掺杂，掺杂后的材料的电导率提高了8个数量级。

2）石墨负极材料

石墨的层状结构适合锂离子的脱嵌，对电解液的要求高。在首次充放电过程中，溶剂会共嵌入到石墨层间，引起体积膨胀，可直接导致石墨层的塌陷，恶化电极的循环性能。因此，需要对石墨进行改性，增加石墨与电解液的相容性，提高其可逆比容量和循环性能，形成稳定的SEI膜。

对石墨负极的主要研究策略是提升石墨负极的倍率性能，提高石墨负极的比容量，提升石墨负极的循环稳定性和安全性等。

目前的石墨负极主要分为天然石墨负极和人造石墨负极，其中对石墨负极的主要改性手段有表面氧化、表面包覆和掺杂。

表面氧化的原理是在锯齿位和摇椅位生成酸性基团，嵌锂前这些基团可以阻止溶剂分子的共嵌入并提高电极/电解液间的润湿性，减小界面阻抗，形成稳定的SEI膜。

石墨负极材料的表面包覆改性主要包括碳包覆、金属或非金属及其氧化物包覆和聚合物包覆等，实现提高电极的可逆比容量和首次库仑效率，改善循环性能和大电流充放电性能的目的。

目前元素的掺杂改性石墨可分为以下三类：

①元素掺杂对锂无化学和电化学活性，但可以改进石墨类材料的结构；

②掺杂元素是储锂活性物质，可与石墨类材料形成复合活性物质，发挥两者协同效应；

③掺杂元素无储锂活性，但可以增强石墨类材料的导电性能，从而改善其大电流充放电性能。

3）隔膜

锂离子电池隔膜的分类方法繁多，比如根据基材、结构形貌以及用途来划分。从材料的种类出发，锂离子电池隔膜材料通常分为聚烯烃隔膜、无机复合隔膜、无纺布隔膜与聚合物电解质。由于聚烯烃材料具有绝缘度好、密度小、高强度机械性能和耐电化学腐蚀等优点，目前商业化锂离子电池的隔膜都是聚烯烃基材料，比如，PP（聚丙烯）、PE（聚乙烯）以及复合隔膜PP/PE/PP。由于PE、PP材料存在较大的差异，所以商业上制备PE隔膜一般采用湿法拉伸工艺，而PP隔膜多采用干法拉伸工艺制备。双层与三层复合隔膜实际上是将PE或者PP隔膜进行共挤出流延成膜，然后热拉伸，所制备的多层复合隔膜不仅具有优异的力学性能，同时还具备一定的热安全性能。主要是利用PE、PP熔点的差异性，当电池内部温度升高，PE隔膜先熔化，微孔堵塞，阻止锂离子通行，使电池停止工作，有效预防热失控，此时温度还未达到PP熔点，所以PP层维持隔膜的整体形状，继续充当隔膜的功能，阻止正、负两极的接触。

商业化的磷酸铁锂电池大多采用涂陶瓷的湿法PE膜（陶瓷隔膜），表面涂覆一层纳米级氧化铝材料，经过特殊工艺处理，与基体粘接紧密，显著提高锂离子电池的耐高温性能和安全性能。陶瓷隔膜对表面涂覆的氧化铝一般要求颗粒尺寸均匀，能很好地粘接到隔膜上，又不会堵塞隔膜孔道，同时对氧化铝有特殊晶型结构的要求，保证氧化铝与电解液的相容性和浸润性。氧化铝涂层具有优异的耐高温性，在180℃以上还能保持完整形态，同时氧化铝涂层能中和电解液中游离的HF，提升电池耐酸性，安全性能得到提高。

4）电解液

磷酸铁锂电池的电解液主要是由溶剂、锂盐和电解液添加剂等组成。其中溶剂主要是碳酸酯溶剂，主要包括碳酸乙烯酯(EC)、二甲基碳酸酯(DMC)、二乙基碳酸酯(DEC)和碳酸丙烯酯(PC)等，能够保证形成有效的负极钝化膜、高的离子电导率和电化学稳定性。锂盐主要采用六氟磷酸锂(LiPF6)，其中主要使用的添加剂是碳酸亚乙烯酯(VC)，电解液中使用的添加剂相对三元材料较少。

磷酸铁锂电池根据不同的应用场景也开发了一系列的高温电解液和低温电解液，通过改变锂盐和添加剂，可以提高磷酸铁锂电池的高温性能。

LiDFOB作为锂盐加入到电解液中对LiFePO4/石墨电池没有负面影响，在正极侧，LiDFOB基电解液能有效地抑制LiFePO4在高温条件下析出铁离子，同时在石墨负极表面形成更致密、更稳定的SEI膜，具有更好的热稳定性。此外，LiDFOB基电解液能抑制铁离子在负极上还原，有利于降低SEI膜阻抗，因此能显著提高LiFePO4/石墨电池的高温循环性能。

添加剂亚硫酸丙烯酸酯(PS)和氟代碳酸乙烯酯(FEC)也可以显著提高磷酸铁锂/石墨电池的高温性能。实验表明，在电解液中加入PS和FEC后，石墨负极表面能形成平滑致密的SEI膜，提高电池的高温性能。

性能特点

2.1 磷酸铁锂正极的性能特点

与其他正极材料相比，磷酸铁锂具有循环寿命长、稳定性好、安全性高和价格低廉等优势。磷酸铁锂电池已被大规模应用于电动汽车和规模储能等领域。

1) 循环寿命长

磷酸铁锂材料是橄榄石型结构，在充放电前后LiFePO4与FePO4结构相似，锂离子脱出/嵌入后，LiFePO4晶体结构几乎不发生重排，即使在过充时也不会结构坍塌，因此具有良好的循环性能。磷酸铁锂电池的产业化基础好，电芯制备工艺先进，磷酸铁锂单体电池的循环寿命不断突破。

单体电池的循环性能与电极的面载量紧密相关，载量的增加一般会伴随着循环寿命的缩短。在厚电极情况下，电极内部的极化增大，电极内部反应不均匀性增加，导致电极内部的应力增加，出现材料脱落等问题，影响电池循环性能。在高载量的磷酸铁锂电池中多孔电极中的锂离子传输成为速控步骤。通过3D打印技术能够获得具有直通孔结构的锂离子传输通道，实现低迂曲度的厚电极制备。如图11所示，通过极片厚度和孔隙率，获得了一系列的样品，其中厚度为300μm、孔隙率为70%的样品，具有最优的倍率性能和循环性能。

通过在LiFePO4材料表面包碳，提高LiFePO4材料电子电导率是一种被验证广泛有效的方式。例如，Prosini等先在300℃下合成磷酸铁锂前驱体，与超细导电炭黑(SP)混合球磨，再在800℃下高温煅烧，得到的LiFePO4材料导电性能大大提高，电化学性能提升明显。但是，碳包覆的磷酸铁锂的密度远小于纯相LiFePO4，碳源添加过多会导致LiFePO4材料振实密度急剧下降，严重降低LiFePO4正极的体积比容量和能量密度。

图11 a)3D打印电极不同载量的倍率性能 b)3D打印电极不同载量的循环性能

2) 安全性高

磷酸铁锂结构中的P-O键稳固，难以分解，即便在高温或过充时也不会像层状材料一样结构崩塌、发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。磷酸铁锂耐高温特性电热峰值可达350～500℃，工作温度范围宽广(-20~75℃)。磷酸铁锂电池一般被认为是不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池。

3) 倍率性能差

LiFePO4的缺点在于其电子电导率比较差，为10-9S/cm量级，锂离子的活化能为0.3～0.5eV，表观扩散系数为10-15～10-10cm2/s，导致材料的倍率性能差。因此，实现磷酸铁锂电池高速充放电的核心是提高LiFePO4正极材料电子电导率和锂离子扩散速率。

2.2 石墨负极的性能特点

石墨负极材料具有工作电压低、成本低、安全性好和价格低廉等优势，被广泛地应用到商业化锂离子电池中。电解液中溶剂分子容易共嵌入石墨材料的层状结构中，导致层状结构被破坏，从而降低石墨负极材料的库仑效率和循环性能。同时，石墨的各向异性结构特征限制了锂离子在石墨结构中的自由扩散，因此影响了石墨材料的倍率性能。

石墨类碳材料的性能衰减是由本体结构和表面结构破坏导致的。在短期的充放电过程中，本体结构较稳定，主要是其表面结构发生破坏。当石墨电极进行浅程度的脱嵌锂时，表面结构会出现严重的衰减，并且无序化程度明显增加；当石墨电极进行较深程度的脱嵌锂时，表面结构的无序化程度会增加。此外，石墨的脱嵌锂反应不均匀会导致石墨片层出现严重变形，导致原来生成的SEI膜发生破裂，而新暴露出来的碳原子表面会立刻与电解液反应生成新的SEI膜。电解液的消耗和SEI膜的不断重复生成，导致活性锂离子的不断损失，最终导致电池的容量损失，直至电池产生失效。在大电流下进行脱嵌锂时，会导致石墨材料的局部区域中出现较高的浓度梯度，因此产生晶格内的局部应力，导致石墨本体结构的破坏，使得石墨负极失去电化学活性。

产业化现状

3.1 国家及各省区市鼓励并指导磷酸铁锂产能建设

根据《产业结构调整指导目录（2019年本）》，国家支持磷酸铁锂等电池正极材料企业的发展。地方上，各省区市根据各自产业规划和发展阶段，将磷酸铁锂等电池正极材料的生产划入重点培育产业，例如广东、广西等。此外，磷酸铁锂生产过程不涉及化工重污染，符合各地“三线一单”政策（生态保护红线、资源利用上线、环境质量底线和环境准入清单）（见表2）。

表2 磷酸铁锂相关产业政策

国内磷酸铁锂电池的发展可以分为3个阶段：

阶段一：2009～2016年，国补支撑新能源汽车行业发展。2009年，国家推出补贴政策推动新能源汽车行业发展，早期政策偏向商用车，磷酸铁锂因其安全性、循环寿命的优势，占据优势，顺势站稳脚跟。2014～2016年，磷酸铁锂出货量从1.2万吨升至5.6万吨，市场份额维持在70%以上。

阶段二：2017～2019年，国补侧重电池能量密度考核。2017年起，国家首次将电池系统能量密度纳入考核标准，高能量密度、长续航里程成为新能源汽车企业获取补贴的重要考核指标，动力电池企业转向大力开发三元电池，磷酸铁锂市场份额大幅下滑。

阶段三：2019年至今，国补大幅退坡，电池企业陆续推出电池结构优化方案，搭载磷酸铁锂电池的爆款车型陆续推出。从单车补贴额度看，2019年相比于2018年减少50%～70%，并计划在2022年年底彻底退出。与此同时，各电池企业陆续推出电池结构优化方案，如宁德时代推出CTP电池、比亚迪推出刀片电池、国轩高科推出JTM电池，通过优化模组结构从而达到提升能量密度的效果。在此背景下，更具性价比的磷酸铁锂电池重回大众视野，2020年下半年起，比亚迪汉、宏光Mini EV、磷酸铁锂版Model 3等爆款车型陆续上市，带动磷酸铁锂电池在新能源乘用车中的渗透率不断提升。2021年4月，宁德时代董事长曾毓群在上海交通大学校庆上讲话时表示，未来将加大对磷酸铁锂电池的投入。

3.2 磷酸铁锂电池的市场格局

受益于动力与储能两大应用领域的高速发展，2022年磷酸铁锂延续2021年的高歌猛进。2022年磷酸铁锂产量合计为111.09万吨，同比增长132.77%，增速较2021年有所下滑。

2022年虽然湖南裕能、德方纳米两龙头企业产量均实现翻倍增长，但融通高科、湖北万润、安达科技、圣钒科技、江西升华、丰元股份等企业增速更快，部分实现三倍以上增长，所以2022年磷酸铁锂市场集中度较2021年有所下滑，CR2、CR5分别下滑至39.92%、65.94%。

从各企业来看：湖南裕能、德方纳米稳居第一梯队，尤其是湖南裕能独占市场约1/4的市场份额，且年产量约为德方纳米的1.5倍；常州锂源、融通高科、湖北万润三企业位于第二梯度，年产量相差不大；安达科技、国轩高科、江西升华、圣钒科技、比亚迪占据第三梯队，年产量均在3万吨以上。

根据各企业产能规划，2023年磷酸铁锂新投项目将延续高增长，产量预计将达到198.5万吨。湖南裕能、德方纳米等传统龙头企业仍将保持行业领先地位，而海创新能源、长远锂科、宜宾天原等新势力，将因为产能释放快速提升行业地位。

磷酸铁方面，2022年磷酸铁产量合计88.01万吨，同比增长146.8%。

从各磷酸铁企业占比来看：排名前三的湖南裕能、湖北万润、安达科技均以自用为主，市场流通货源极少，其中湖南裕能独占市场约1/4的市场份额，一枝独秀。

湖南雅城、铜陵纳源、攀枝花七星、天赐材料等是市场的主要流通货源，2022年产量相差不大。

河南佰利、新洋丰、云翔聚能等新势力在下半年开始稳定出货，年产量在1.5万吨左右。

从各家产能规划来看：2023年磷酸铁供需格局相比于22年将出现较为明显的改变，随着新进企业新洋丰、河南佰利、云翔聚能、中伟股份等产能爬坡加快，叠加现有企业的扩建规划，行业将进入产能集中释放期，带动磷酸铁供给增量明显，2023年磷酸铁市场竞争同样激烈，价格有一定下行空间。

3.3 磷酸铁锂电池的技术创新

动力应用方面，磷酸铁锂电池凭借成本优势，结合CTP、刀片、JTM等技术创新不断突破上限，全球范围内进一步打开应用空间，打造销量爆款。

我国电池企业凭借磷酸铁锂、CTP技术创新引领发展趋势，进一步提升全球竞争力，加快出海速度。从技术储备来看，宁德时代凭借在结构创新和材料体系上完善的技术布局获得领先的全球竞争优势，比亚迪和国轩高科分别通过刀片和JTM等结构创新拓展磷酸铁锂应用范围。

1) CTP（Cell to Pack，无模组动力电池包）技术

将电芯直接集成至电池包，省去模组环节可以有效提升电池包的空间利用率和能量密度。宁德时代率先推出的CTP电池包较传统电池包体积利用率提高15%～20%，零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，系统成本降低10%，冷却性能提升10%。在能量密度上，传统电池包的能量密度平均为140～150Wh/kg，CTP电池包的能量密度则可达到200Wh/kg以上。宁德时代研发联席总裁梁成都在2020世界新能源汽车大会上介绍，公司计划于2022年实现无热扩散的CTP电池技术。宁德时代CTP电池包现已配套北汽新能源、蔚来、戴姆勒等车企。

宁德时代的CTC(Cell to Chassis)技术，即将电池集成至底盘，可视为CTP技术的进一步延伸。CTC技术不仅对电池进行重新排布，还会纳入三电系统，通过智能化动力域控制器优化动力分配和降低能耗，目标是在2030年前完成技术开发。据宁德时代乘用车解决方案部总裁林永寿在第五届动力电池应用国际峰会上的介绍，采用CTC技术的新能源汽车整车可减重8%，动力系统成本至少降低20%，续航里程提升至少40%至1000km，百公里电耗降低12kWh。基于宁德时代和长安汽车、华为共同打造全新高端智能汽车品牌的合作关系，以及长安新能源规划突破CTV(Cell to Vehicle)、MTV(Module to Vehicle)关键技术，宁德时代CTC技术有望加快产业化进度。

2) 刀片电池

比亚迪刀片电池改变了电芯排布方式和结构，使得电池包形状薄而长，采用无模组化设计，电芯长度范围从435mm到2500mm，具有高安全、长续航、长寿命的特点，与传统电池相比，体积比能量将会增加50%，成本下降30%，续航里程达到600km，寿命长达8年120万km。比亚迪磷酸铁锂刀片电池于2020年3月量产，搭载的首款车型为2020年7月上市的比亚迪汉EV，后续将搭载2021款唐EV和宋Plus EV以及滴滴定制车型D1等车型。

3) 国轩高科JTM（Jelly Roll to Module，从卷芯到模组）技术

作为一种全新的卷芯到模组集成技术，可大幅降低生产周期及电池成本，同时电池及模组零部件也将显著减少。据国轩高科介绍，该技术兼具低成本和高成组效率，单体到模组成组效率可超过90%。使用磷酸铁锂材料体系的模组能量密度可接近200Wh/kg，系统能量密度为180Wh/kg，可达到高镍三元电池的水平，工艺简单易形成标准化模组，具有较强适应性，可兼容不同模组的尺寸规格。

3.4 前驱体与制备工艺百花齐放

磷酸铁锂行业竞争以成本为核心。磷酸铁锂材料相较三元材料技术难度较低，投产周期较短，随着下游电池厂商推动行业供给出清，行业竞争逐渐以成本为核心，高效益、低成本的产品才能拥有终极竞争力。锂源、磷源和电费是磷酸铁锂成本的主要构成部分。据德方纳米的招股说明书介绍，以碳酸锂和前驱体为主的原材料占总成本比例接近70%，磷酸铁锂成本和性能主要取决于前驱体的材料体系和制备工艺。此外，电费、水费等能源成本也是重要构成部分，其中用电成本约占总成本比例10%，主要取决于区位，例如，云南地区大工业用电单价低至0.3496元/kWh，使德方纳米位于云南曲靖的基地享有较低的用电成本。

磷酸铁锂制备工艺百花齐放（见图12）。根据主流磷酸铁锂企业的情况，可以将生产工艺分为固相法+磷酸铁、固相法+草酸亚铁、液相法+硝酸铁这三种路线。固相法+磷酸铁工艺简单，产品克容量较高，但相比液相法，物料混合不均匀，且较为依赖磷酸铁产能；固相法+草酸亚铁路线工艺简单，制成材料压实密度较高，循环衰减较少，具有较高的挖掘潜力，但生产安全风险较高；液相法+硝酸铁技术能够让物料在溶剂中均匀混合，产品一致性高，且缓解前驱体供应瓶颈，但生产管控难度较大。工艺路线直接决定生产成本及其下降潜力。草酸亚铁供应链配套不足，使得铁源成本高于其他路线；磷酸铁制备过程中需要氨水（氨法）或氢氧化钠（钠法）调节pH值，氨水单吨成本比氢氧化钠更低，但出于环保原因，生成的副产品硫酸铵无法直排而产生环保成本，通过硫酸铵外售可补贴部分后处理成本；液相法采用工业级碳酸锂，成本较低，但因使用硝酸，后续也会产生氮氧化物副产品，环保要求高，工艺控制难。

图12 磷酸铁锂的制备工艺比较

3.5 磷酸铁锂产业链现状

磷酸铁锂的产业链涉及锂源、铁源、碳源和磷源，从磷酸铁锂正极到磷酸铁锂电池，以及应用到后端的电子设备、电动工具、新能源汽车和储能领域（见图13）。从经营模式上看，如能将从电池材料到电芯、电池成组技术，再到电动汽车和储能运用各个环节全部打通，将形成强大的竞争优势，但产业链过长又将会造成技术和资本的双重压力。因此，无论从技术还是从投资和经营的角度来看，磷酸铁锂电池产业化都有一定的复杂性。

图13 磷酸铁锂上下游产业链图

磷酸铁锂材料毛利率逐渐走低，降本空间打开将提振行业盈利能力。以德方纳米为例，伴随碳酸锂价格的持续下跌，行业单季度毛利率和净利率自2019年以来呈现下滑趋势。随着后续新工艺新产能规模的不断扩大，以及企业新工厂电费降低，贴近上游磷源、铁源，行业成本可能进一步下探，盈利有望扩张（见图14）。

图14 磷酸铁锂产业链的基本情况

3.6 锂源

天齐锂业是以锂为核心的新能源材料企业。公司业务涵盖锂产业链的关键阶段，包括硬岩型锂矿资源的开发、锂精矿加工销售以及锂化工产品的生产销售。作为全球领先的锂产品生产商，天齐锂业以西澳大利亚州格林布什锂矿和四川雅江措拉锂矿为资源储备，确保公司能获得稳定的低成本优质锂原料供应。2020年公司碳酸锂生产成本为3.75万元/t，在业内处于较低水平。现阶段主要依托射洪天齐、江苏天齐和重庆天齐提供碳酸锂、氢氧化锂、氯化锂及金属锂产品，中期锂化工产品规划产能合计超过11万t/年；泰利森锂精矿建成产能达134万t/年，规划产能达194万t/年。

3.7 铁源

硫酸法钛白粉企业副产物硫酸亚铁是磷酸铁锂生产原料中的铁源。单吨钛白粉生产约能产生近3t硫酸亚铁，大量硫酸亚铁固废处理困难，堆放处理会造成环境污染问题，且浪费资源。硫酸亚铁固废经过前处理后，可用于生产电池级磷酸铁，进而生产磷酸铁锂电池材料，提高了资源利用率，降低了磷酸铁锂生产的原料成本，协同效应显著。按2021年上半年原料市场均价核算，相比铁源外购企业，铁源自给可节省单吨成本1676元。随着硫酸亚铁制备磷酸铁锂电池材料的工艺路径逐渐打通，为整个钛白粉行业带来了机遇，部分企业硫酸亚铁提纯产品外卖，而另一些企业则凭借资源优势，乘机切入新能源电池材料领域。

3.8 磷源

国内磷矿石主要分布于湖北、贵州、云南、四川四省，根据百川盈孚数据，2020年国内磷矿石产量为8194万t，这四省产量分别为3695万t、1871万t、1579万t、742万t，合计占比约96%，产量非常集中。而国内磷矿石企业格局则较为分散，2017年行业前四位占比仅30%，而随着各地收紧磷矿生产开发，小型矿山逐步退出将推动行业资源集中化。

磷化工产业集中度较高。磷化工是以磷矿石为原料，经过物理化学加工制得各种含磷制品的工业，产品主要包括磷肥、含磷农药、元素磷、磷酸、磷酸盐、有机磷化物等。根据中国磷复肥工业协会数据，国内磷肥产量中44%是磷酸二铵，41%是磷酸一铵，为主要磷肥。而国内磷肥第一梯队企业为云天化和贵州磷化，2019年的市占率分别为17.2%和15.8%，远高于第二梯队企业新洋丰、湖北宜化、湖北祥云等。根据卓创资讯数据，国内磷酸一铵第一梯队企业为湖北祥云、新洋丰，2020年市占率分别为11.5%和10.5%，磷酸二铵格局则更加集中，云天化、贵州磷化为第一梯队企业，2020年市占率分别为21.4%和18.7%。