錳基電池有潛力

時(shí)間:2022-08-18 08:33來(lái)源:能源評(píng)論•首席能源觀 作者:袁素
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       8月16日，中信證券發(fā)布研究報(bào)告稱，硫酸錳有望憑借擴(kuò)產(chǎn)方便、應(yīng)用性能好、成本可控等優(yōu)勢(shì)成為新型錳基正極材料的主要錳源。預(yù)計(jì)2030年全球動(dòng)力+儲(chǔ)能+小型電池對(duì)錳的需求量將達(dá)到140萬(wàn)噸以上，接近2021年的12倍水平。錳行業(yè)上市公司有望持續(xù)受益于電池行業(yè)用錳量的快速提升帶來(lái)的訂單增長(zhǎng)，同時(shí)階段性受益于電解二氧化錳價(jià)格抬升帶來(lái)的盈利增厚。
 
       全球電動(dòng)汽車領(lǐng)域的新風(fēng)口——錳基電池和錳基電池材料，正在得到業(yè)界的關(guān)注，也為百花齊放的電池技術(shù)路線增加了一個(gè)新選擇。
 
       據(jù)報(bào)道，寧德時(shí)代、欣旺達(dá)及億緯鋰能等公司已將磷酸錳鐵鋰電池樣品交付車企測(cè)試，比亞迪旗下的弗迪電池也開(kāi)始小批量采購(gòu)磷酸錳鐵鋰材料用于內(nèi)部研發(fā)。
 
       特斯拉CEO馬斯克更是多次表達(dá)對(duì)“錳”的偏愛(ài)，除了3月公開(kāi)表示“我認(rèn)為錳基電池有潛力”，在2020年的特斯拉“電池日”上，他也曾表示，用2/3的鎳和1/3的錳做正極材料可以使電池提升50%以上的容量（基于同樣數(shù)量鎳的情況下）。
 
       錳基電池通常包括錳酸鋰、磷酸錳鐵鋰、富鋰錳基等三類電池。在錳基正極材料中，錳酸鋰已經(jīng)廣泛應(yīng)用；磷酸錳鐵鋰作為磷酸鐵鋰最重要的改進(jìn)方向之一，有望成為繼錳酸鋰之后率先產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新方向；富鋰錳基材料則受益于其超高的能量密度，被認(rèn)為是繼磷酸鐵鋰和三元材料之后最具前景的動(dòng)力電池正極材料。馬斯克所說(shuō)的錳基材料主要是指后兩種材料。
 
       錳的價(jià)值正在得到業(yè)界的重視，中信證券將錳稱為繼鋰、鎳、鈷之后“不容忽視的第四種電池金屬”。
 
第一代錳基電池：適合低速車型
 
       錳基電池材料并非新鮮事物。
 
       其中，錳酸鋰正極材料早在20年前就被發(fā)明出來(lái)，并在日本、韓國(guó)一度被用在第一代新能源汽車上。日本、韓國(guó)的錳酸鋰電池以摻雜單晶顆粒為主，其中，集大成者是當(dāng)年的日本電池企業(yè)AESC。
 
       普通錳酸鋰電池的優(yōu)勢(shì)是材料成本低、電壓平臺(tái)高、低溫性能好、倍率性好、綜合性價(jià)比高，缺點(diǎn)是能量密度低、高溫性能差、循環(huán)性能低。其單體能量密度為170瓦時(shí)/千克，電池系統(tǒng)能量密度可達(dá)120瓦時(shí)/千克，循環(huán)壽命一般為300～500次，而磷酸鐵鋰電池可以達(dá)到2000次以上。
 
       因此，錳酸鋰電池主要適用于對(duì)壽命、能量密度要求不高，對(duì)成本非常敏感的應(yīng)用場(chǎng)景，如兩輪、三輪電動(dòng)車以及部分低速電動(dòng)汽車、A00級(jí)車型上。
 
       2010年，日產(chǎn)汽車推出純電動(dòng)乘用車“聆風(fēng)”，采用的就是AESC的錳酸鋰電池，因此行業(yè)內(nèi)把錳酸鋰電池稱為第一代動(dòng)力電池技術(shù)。自2010年12月上市，到2019年年底，“聆風(fēng)”成為全球首款總銷量突破40萬(wàn)輛的純電動(dòng)汽車。
 
       在國(guó)內(nèi)，主打錳酸鋰電池的主要是兩輪車電池公司星恒電源和中信國(guó)安盟固利。與日本企業(yè)不同，星恒電源對(duì)錳酸鋰做了改良，例如，采用由一次顆粒團(tuán)聚而成的二次顆粒，通過(guò)摻雜和包覆雙管齊下的方案對(duì)材料進(jìn)行修飾，極片則采用了高面密度設(shè)計(jì)，由此提高錳酸鋰的能量密度，以及電池的容量和高溫循環(huán)性能。
 
       盡管星恒電源一度想將改良后的錳酸鋰電池打入商用車市場(chǎng)，但終究不敵磷酸鐵鋰技術(shù)的進(jìn)步，最終斬獲有限。目前，星恒電源主打兩輪電動(dòng)車市場(chǎng)，成為國(guó)內(nèi)兩輪車電芯的絕對(duì)龍頭。
 
       與此同時(shí)，日本的AESC已經(jīng)放棄錳酸鋰路線，切換至三元鋰電池賽道，主打電動(dòng)汽車市場(chǎng)，并且被中國(guó)的遠(yuǎn)景能源收入麾下。
 
       根據(jù)高工鋰電的數(shù)據(jù)，錳酸鋰電池是兩輪電動(dòng)車市場(chǎng)出貨量最大的電池，2020年市場(chǎng)份額達(dá)到45%，明顯領(lǐng)先于三元電池的29%和磷酸鐵鋰電池的26%。
 
       根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)鋰業(yè)分會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)鋰電池正極材料產(chǎn)量約為111.17萬(wàn)噸，其中鈷酸鋰產(chǎn)量為10.1萬(wàn)噸，三元材料產(chǎn)量為44.05萬(wàn)噸，磷酸鐵鋰產(chǎn)量為45.91萬(wàn)噸，錳酸鋰產(chǎn)量為11.11萬(wàn)噸
 
第二代錳基電池：已進(jìn)入中試
 
       隨著比亞迪和特斯拉的崛起，不含錳金屬的磷酸鐵鋰材料和含錳金屬的三元材料成為第二代動(dòng)力電池的選擇。
 
       為了解決第二代電池面臨的成本和安全性等問(wèn)題，電池企業(yè)繼續(xù)對(duì)材料體系進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新。從2021年開(kāi)始，含錳正極材料成為包括特斯拉在內(nèi)的眾多主流電池企業(yè)的研究重點(diǎn)。
 
       2022年3月，特斯拉柏林工廠交付第一批Model Y后，馬斯克表示，希望行業(yè)更多地關(guān)注含錳基電池供應(yīng)鏈。
 
       其中，磷酸錳鐵鋰材料是磷酸鐵鋰材料重要的升級(jí)方向。磷酸鐵鋰已經(jīng)是目前廣泛使用的動(dòng)力電池正極材料，磷酸錳鋰具有相似的橄欖石型結(jié)構(gòu)，雖然比前者的理論能量密度高15%～20%，但其導(dǎo)電性極差，幾乎屬于絕緣體。
 
       為了解決上述問(wèn)題，研究人員將兩種材料按一定比例復(fù)合形成磷酸錳鐵鋰材料。磷酸錳鐵鋰保留了磷酸鐵鋰的優(yōu)良安全性、穩(wěn)定性及相同的理論能量密度，并且擁有較高的電壓平臺(tái)。同時(shí)，磷酸錳鐵鋰相較于磷酸鐵鋰具有低溫性能優(yōu)勢(shì)，在零下20攝氏度下容量保持率能夠達(dá)到75%。鐵、錳等元素在自然界中含量非常豐富，原材料易獲取且成本低廉，綜合成本比磷酸鐵鋰和三元電池都低。
 
       但磷酸錳鐵鋰電池的缺點(diǎn)也很明顯，其較低的電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散速度，會(huì)導(dǎo)致其容量?jī)?yōu)勢(shì)難以完全發(fā)揮、倍率性能較差。與磷酸鐵鋰電池相比，由于有錳元素的加入，錳的溶出會(huì)導(dǎo)致其循環(huán)壽命有所降低。鑒于以上原因，錳作為單一活性材料應(yīng)用時(shí)，目前常采用摻雜、碳包覆、納米化技術(shù)改性，以改善磷酸錳鐵鋰材料的性能。
 
       因此，目前磷酸錳鐵鋰電池主要應(yīng)用于兩輪電動(dòng)車，小牛電動(dòng)車的部分車型已應(yīng)用此電芯。未來(lái)，磷酸錳鐵鋰或以與其他主流正極材料復(fù)合的方式，進(jìn)軍電動(dòng)汽車領(lǐng)域。
 
       在產(chǎn)能方面，深圳市德方納米科技股份有限公司進(jìn)展比較快，其具有百噸級(jí)別磷酸錳鐵鋰材料的中試線，電池端測(cè)試已基本完成，現(xiàn)已進(jìn)入車端驗(yàn)證階段，預(yù)計(jì)1～2年后可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。疊加正極補(bǔ)鋰技術(shù)，該電池能量密度可提高20%，循環(huán)壽命可達(dá)1萬(wàn)次。此外，當(dāng)升科技、廈鎢新能的磷酸錳鐵鋰材料研發(fā)則處于小試階段。
 
       值得關(guān)注的是，2021年11月，寧德時(shí)代控股了主打磷酸錳鐵鋰材料的力泰鋰能，持有其60%股權(quán)，成為第一大股東，可見(jiàn)其對(duì)這種材料的發(fā)展很是看好。
 
富鋰錳基電池前景可觀
 
       在目前的三種錳基電池中，富鋰錳基正極材料電池被認(rèn)為最有前景。
       中信證券的研究結(jié)果顯示，隨著新型錳基正極材料滲透率的提升，預(yù)計(jì)鋰電池用錳量將出現(xiàn)激增，2025年鋰電池正極材料用錳量將超過(guò)30萬(wàn)噸，2021～2025年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為32%；至2035年有望增至130萬(wàn)噸以上。
 
       富鋰錳基正極材料可以看作由富鋰型層狀錳酸鋰和層狀鋰離子過(guò)渡金屬氧化物兩種成分在原子尺度均勻復(fù)合形成。在過(guò)渡金屬/鋰混合層內(nèi)，鋰和過(guò)渡金屬原子有序排列，形成超晶格結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)也使得富鋰錳基材料有著優(yōu)異的物理性能。
 
       富鋰錳基電池具有超高的容量密度，可以達(dá)到300毫安時(shí)/克，幾乎是目前商業(yè)化正極材料實(shí)際容量的兩倍，再考慮到其成本便宜的特點(diǎn)，因此被視為頗有前景的下一代鋰離子電池。
 
       中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授歐陽(yáng)明高表示：“到2025年，我們希望沖擊400瓦時(shí)/千克的目標(biāo)，這時(shí)候要改變的是正極材料�？蛇x的正極材料有幾種，目前新能源汽車重點(diǎn)專項(xiàng)取得突破性進(jìn)展的是高容量富鋰錳基正極材料。”
 
       但富鋰錳基材料在技術(shù)上還面臨三大挑戰(zhàn)：降低首次充電不可逆容量損失、提高倍率性能和循環(huán)壽命、抑制循環(huán)過(guò)程的電壓衰減。目前解決這些問(wèn)題的手段很多，包括包覆、酸處理、摻雜、預(yù)循環(huán)、熱處理等，但是這也只能在某些方面提升材料的性能。因此，有分析人士認(rèn)為，錳基電池應(yīng)該有其自身適合的細(xì)分市場(chǎng)，而很難成為主流產(chǎn)品。
 
       從產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展來(lái)看，容百科技、當(dāng)升科技等相關(guān)企業(yè)均宣稱布局了富鋰錳基材料的研發(fā)，部分企業(yè)目前已進(jìn)入小試階段，并積極配合用戶在現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行產(chǎn)品性能優(yōu)化及工藝放大實(shí)驗(yàn)。此外，多氟多、振華新材等企業(yè)也開(kāi)展了富鋰錳基材料相關(guān)研發(fā)工作。
 
       6月15日，德國(guó)化工巨頭巴斯夫宣布，其控股公司——巴斯夫杉杉電池材料有限公司的富鋰錳基材料已實(shí)現(xiàn)噸級(jí)規(guī)模生產(chǎn)，未來(lái)將加快這一材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，并加大開(kāi)拓用戶的力度。 
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 錳基電池
作者：袁素 ，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處：http://www.jzr14e.cn/wenshuo/sc/2022081839900.html
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