一文看懂磷酸锰铁锂技术挑战、发展趋势及国内产业化转型布局！
摘要
文章探讨了磷酸锰铁锂（LMFP）在锂电池领域的优势、挑战与发展前景。LMFP因其高能量密度、优异低温性能和安全性而备受关注，被视为磷酸铁锂（LFP）的升级材料。尽管面临导电性差、锰溶出等技术挑战，但通过纳米化、碳包覆等改性措施，LMFP的性能得到提升。其单吨成本略高于LFP，但高能量密度带来更高毛利，展现出良好性价比。预计到2025年，中国LMFP需求将超过20万吨，产业链各环节积极布局。尽管产业化过程中存在挑战，但LMFP优势明显，预计将在锂电池市场占据重要地位。
正文
锰铁锂成本+性能双优，终端驱动中游电池厂商和正极厂商纷纷布局，锰铁锂产业化在即：目前奇瑞智界S7 已经上市，特斯拉已有锰铁锂车型预备上市，其他车企随之纷纷布局。下游驱动中游正极材料厂商和电池厂商放量，正极材料厂商中，铁锂厂商产能一般为锰铁锂与铁锂共线，龙头企业纷纷转产扩产，目前德方纳米、容百科技领先；电池厂商中，龙头企业宁德时代领先，推出 M3P 锰铁锂电池，目前已在已售车型智界 S7 上装车。 1.1 锰铁锂：能量密度不足驱动铁锂掺锰升级趋势明确 从正极材料细分来看，磷酸铁锂和三元材料是动力电池领域目前使用最多的两类材料。2017年前，磷酸铁锂凭借低成本的优势首先占领商业车市场。2017-2019年， 能量密度激励政策下三元材料逆袭，成为主流的技术方向。2020-2023 年，补贴退 坡，市场降本需求迫切，磷酸铁锂再次获得青睐，2023年11月装机量占比达64.9%。 能量密度不足始终是铁锂痛点问题，磷酸铁锂掺锰升级趋势明确。主流的磷酸锰铁锂电池的能量密度在 200Wh/kg 以下，三元锂电池的能量密度在 200-300Wh/kg 之间。在新能源汽车续航要求持续提升的背景下，能量密度不足始终是磷酸铁锂正极材料的痛点问题，磷酸锰铁锂通过提高平台电压有效提升电池续航能力，成本与性能博弈下，磷酸铁锂掺锰升级趋势明确。 1.2 优势一：能量密度+低温性能+安全性三大性能优势显著 ➢ 对比磷酸铁锂，能量密度更优。正极材料的能量密度直接影响动力电池的综合表现，容量与电压两者共同决定材料的能量密度。锰元素本身具备电压大的特点，铁锂掺锰后，电压平台能够从 3.4V 提升到 3.8-4.1V，从而将理论能量密度提升 10%-20%，较磷酸铁锂电池而言能够为电动车提供更高的续航里程。 ➢ 对比磷酸铁锂，低温性能更好。在-20℃低温条件下，LFP 材料低温保持率仅 48%左右，而 LMFP 可达 77-78%。磷酸锰铁锂低温性能优越主要系低温下 Mn 平台容量几乎全部发挥出来。研究表明，-20℃下，Fe 平台容量发挥占 Fe 平台容量的 50%左右，Mn 平台低温容量发挥占 Mn 平台容量的 95%左右。 ➢ 对比三元材料，安全性更佳。磷酸锰铁锂晶体具有六方密堆结构，其中 Li、 Fe（Mn）原子分别占据八面体 4a 和 4c 位点，P 原子占据四面体 4c 位点。其中 FeO6（MnO6）八面体和 PO4 四面体交叉连接，即使在充电的过程中锂离子全部脱出，也不会存在结构崩塌的问题。同时材料中 P 原子通过 PO 强共价键形成 PO4 四面体，O 原子很难从结构中脱出，因此材料具有十分高的安全性和稳定性。 1.3 优势二：极高性价比+高毛利驱动磷酸锰铁锂发展 从正极材料厂商来看，锰铁锂单吨成本略有增加。根据 2023 年 12 月 11 日-15 日原材料周均价（碳酸锂单吨价格近 11 万元），NCM523/NCM811/磷酸铁锂/磷酸锰铁锂单吨 BOM 成本分别为 9.59/11.39/2.97/3.03 万元，加上制造成本，总单吨成本分别为 11.74/14.27/3.58/3.70 万元，锰铁锂较铁锂单吨成本高约 4%。 ➢ BOM 成本：以锰铁锂领先正极厂商德方纳米水热法为例，磷酸锰铁锂 BOM 成本对比磷酸铁锂增加锰源，减少铁源，高近 2%； ➢ 制造成本：短期研发投入较多，摊销导致单吨制造成本较高，且各家工艺等各不相同。长期来看，量产后制造成本较铁锂增加 10%左右，主要系①锰铁 锂产线设备价格较铁锂高；②锰铁锂制造复杂度高于铁锂。 从正极材料厂商来看，对比铁锂，锰铁锂业务毛利高增。根据 2023 年 12 月 11 日 -15 日周均价（碳酸锂单吨价格近 11 万元），在锰铁锂价格较铁锂高 10%，良率 98%，碳酸锂库存一周的情况下，NCM523/NCM811/磷酸铁锂/磷酸锰铁锂单吨毛 利分别为1.12/1.68/0.53/0.81万元，此时锰铁锂单吨毛利较铁锂高52%。长期来看，随着锰铁锂逐步量产，正极材料厂商竞争加剧，锰铁锂价格存在下降可能。根据测算，价格从较铁锂高 10%下降到高 5%，单吨毛利仍高出 8%，说明其利润可观。目前下游电池厂商掌握绝对话语权，磷酸铁锂赛道毛利触底，锰铁锂能够在磷酸铁锂基础上实现单吨毛利提升，驱动正极材料厂商转型升级。 锰铁锂材料难点增加技术门槛。主要包括：①锰元素导电性能较差，导电率较低，对电池寿命和稳定性带来影响；②锰溶出会降低电池循环寿命及循环稳定性；③充放电曲线均有两个电压平台，3.5 V 附近的平台为 Fe2+转化为 Fe3+，而LiMn0.4Fe0.6PO4/C 在 4.0 V 的高电位平台能够有效提高该类材料的能量密度。锰铁充放电电压不同导致 LMFP 出现双电压平台，增加后期电池管理系统（BMS）管理难度。 改性成为产业化的关键一环。为实现产业化，正极材料厂商和电池厂商纷纷提出改性方案，具体如下： ➢ 纳米化：纳米化指通过机械球磨、控制煅烧温度、采用超导粒子作为核促进剂等多种方式将材料尺寸缩小至纳米级颗粒。纳米化颗粒可以缩短锂离子扩散路径，提高锂离子迁移效率，降低电极极化，从而改善倍率性能核低温性能。同时，提升材料比表面积，提升电子导电性。 ➢ 碳包覆：导电材料包覆在磷酸锰铁锂表面能够改善材料的导电新能，避免颗粒团聚、提升均一性、改善倍率性能。同时，表面包覆后能够一定程度上抑制锰离子溶出，从而改善材料的循环寿命。 ➢ 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，同时可抑制姜泰勒效应，从而提高材料性能。 ➢ 与三元复用：LMFP 与三元材料进行复合包覆，能够提升材料的比容量、低温容量保持率、压实密度等。目前主流方案为三元与锰铁锂比例为 6/4、7/3，主要系磷酸锰铁锂纯用时，锰比例过高材料导电性下降，锰溶出问题突出。 成本因素决定混用仅为过渡方案，纯用有望替代混用成为未来主要应用方案。目前市场主流方案为三元材料与锰铁锂混用，混用比例为 70%/60%。当复合材料为 NCM523 时，正极材料单千克成本分别为 114/105 元，高于纯用 123%/105%，单 kWh 电芯成本分别为 436/425 元，高于纯用 22%/19%。当复合材料为 NCM811 时， 正极材料单千克成本分别为 134/122 元，高于纯用 163%/139%，单 kWh 电芯成本 分别为 463/448 元，高于纯用 29%/25%，与纯用方案成本相差较大。 量产后规模效应凸显，材料进一步降本。目前锰铁锂尚处于初期阶段，随着锰铁 锂发展，产量与产能利用率均将显著提升，规模效应凸显，良率提升，成本有望 继续下降。 2.2 市场空间：预计 2025 年中国锰铁锂需求超 20 万吨 磷酸锰铁锂未来增量空间主要集中在新能源汽车动力电池市场中。短期来看，特斯拉、奇瑞等头部车企逐步发挥示范作用，锰铁锂有望进入部分中端车型，迎来放量。中期来看，锰铁锂向纯用方案演进，凭借成本优势，更加有望代替动力电 池市场中镍（5 系、6 系）三元材料和部分铁锂。长期来看，锰铁锂具有更优的低温特性，德方等领先正极材料厂商已开启循环寿命更优的第二代锰铁锂产品开发， LMFP 电池有望在储能市场渗透。 2025 年中国市场磷酸锰铁锂出货量有望超 20 万吨。根据 GGII，2022 年中国磷酸锰铁锂出货量仅为 2000 吨，主要应用于电动二轮车领域，2023 年主要放量来自于三元与锰铁锂的混用方案上车，随着头部电池企业研发加快及下游电动车销量持续增加，2025 年中国磷酸锰铁锂正极材料出货量有望超 20 万吨，市场规模有望超 100 亿元。 3.1 产业链：下游车企驱动锰铁锂放量，中游正极/电池厂商纷纷布局 锰铁锂放量，上游锰源受益，中游正极材料厂商纷纷扩产，电池厂商纷纷布局。具体如下： ➢ 上游：对比 LFP，LMFP 增加锰元素，锂电池中锰源一般为二氧化锰或者硫 酸锰。锰源企业主要有埃索凯、格林美等。 ➢ 中游：主要包括正极材料厂商和电池厂商，其中正极材料厂商可分为铁锂厂 商和三元厂商。正极材料厂商中，铁锂厂商产能一般为锰铁锂与铁锂共线， 龙头企业纷纷转产扩产，目前德方纳米、湖南裕能领先；部分三元厂商扩展锰铁锂业务，其中龙头企业容百科技收购斯克兰德，实现弯道超车。电池厂商中，龙头企业宁德时代领先，推出 M3P 锰铁锂电池，目前已在已售车型智 界 S7 上装车；国轩高科发布磷酸锰铁锂体系 L600 启晨电芯及电池包，纯电 续航突破 1000 公里，2024 年量产。
➢ 下游：目前奇瑞智界 S7 已经上市，特斯拉已有锰铁锂车型预备上市，其他车企随之纷纷布局。 3.2 下游：首款锰铁锂车型已实现发售，特斯拉锰铁锂车型即将落地 奇瑞、特斯拉进度领先，其他车企目前处于测样阶段，有望跟随头部车企脚步布局锰铁锂车型。 ➢ 奇瑞：2023 年 8 月，工信部第 374 批新能源汽车产品目录中，奇瑞和华为合作推出的纯电动品牌智界 S7 两款车型，以及奇瑞纯电动品牌星途两款车型，都将搭载宁德时代的“三元+磷酸锰铁锂”电池组合，也即是备受业界关注的M3P，目前智界 S7 已开启预售。 ➢ 特斯拉：特斯拉国产 Model 3 改款车型将继续对电池包进行升级，尤其是基础款后轮驱动版的电量将从 60kWh（度）升级为 66kWh，采用宁德时代的 M3P新型磷酸铁锂电池。考虑到特斯拉出口比例较大，北欧等地区对电池低温性能要求较高，美国地区较看中新能源汽车长续航的特点，锰铁锂作为磷酸铁锂的替代产品，是特斯拉未来重点布局方向。 3.3 中游电池厂商：车企驱动各家布局锰铁锂，宁德时代领先 电池厂商纷纷布局锰铁锂，下游车企助力产业化加速落地。除了宁德时代外，比亚迪、亿纬锂能、国轩高科、孚能科技、蜂巢能源、瑞浦兰钧、星恒电源等电池企业都在争相布局。 3.4 中游正极材料厂商：向锰铁锂转型升级，德方、容百领先 固相法和液相法并存，铁锂厂商更易迁移。固相法包括高温固相法和碳热还原法，主要特点为能耗较高、设备要求相对较低，但是产品纯度难以保证。与 LFP 不同之处在于，混合过程中需要将铁源和锰源利用机械球磨或者加入液相使原材料充分混合。液相法包括溶剂热法、溶胶凝胶法、共沉淀法，主要特点为产品性能优越，但是难度大，工艺更加复杂，对设备要求更高。 3.4.2 正极材料厂商纷纷转型升级，锰铁锂进展顺利 正极厂商向锰铁锂转型升级。德方纳米较早布局锰铁锂材料，2021 年即研发成功，目前已经有至少 11 万吨产能，成为唯一一家产能能够满足锰铁锂产业化的厂家。除此之外，容百科技、湖南裕能等均加速布局。 
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