新型锰基电池什么时候能迎来大规模的商用时代?

来源:第一财经 2022-06-20 09:41中投网 A-A+

  镍、钴、锂等新能源金属的价格上涨倒逼电池厂不断探寻新的电池材料和技术,锰在电池领域的应用正得到市场越来越多关注。

  6月16日,巴斯夫杉杉宣布富锰电池材料已实现吨级规模生产。此前在2022年3月,马斯克宣称,特斯拉看到了锰基阴极在电池化学方面的潜力。

  成本优势突出的磷酸锰铁锂、富锂锰基等新型锰基正极材料的市场潜力究竟如何,何时能正式登上大规模商用的舞台?

  四大锰基正极材料各具优缺点

  续航里程是新能源车的两大痛点之一,一大解决之道便是提升电池的能量密度,而具备高电压特性的锰基电池材料有望成为电池能量密度的突破点。

  目前常见的锰基电池材料包括磷酸锰铁锂、锰酸锂、富锂锰基和锰酸锂。从能量密度来看,富锂锰基>磷酸锰铁锂>镍锰酸锂>锰酸锂。因此,磷酸锰铁锂、镍锰酸锂、富锂锰基可用于动力电池,锰酸锂则多用于两轮车或消费领域。

  磷酸锰铁锂是磷酸铁锂的升级方向之一。与磷酸铁锂相比,磷酸锰铁锂电压平台可达3.8V-4.1V左右,高于磷酸铁锂的3.4V,在克容量几乎相同的情况下,能量密度可提升约20%。同时,磷酸锰铁锂的主要原材料为锰系化合物,锰含量约40%,并非稀缺资源,中银证券测算原料成本可较磷酸铁锂低约28%。

  但是,磷酸锰铁锂目前仍存在“硬伤”。由于导电性差、电阻高,磷酸锰铁锂在充放电过程中的极化程度较大,电池的循环次数较磷酸铁锂减少了约1000次。为此,业界正在通过碳包覆、离子掺杂等材料改性技术努力弥补短板。

  镍锰酸锂是用镍均匀取代锰酸锂中25%的锰,使得锰酸锂变为尖晶石高压正极——镍锰酸锂。该正极材料拥有约4.7V的电压平台,电池单体能量密度可接近三元电池,且无需添加钴等贵金属元素,成本相对较低。

  然而,镍锰酸锂在反应过程中会使SEI(Solid Electrolyte Interphase,固体电解质界面膜)持续消耗再生,耗费活性锂,降低循环次数。此外,反应中还会产生氢氟酸腐蚀正极材料。

  富锂锰基在2V-4.8V电压平台基础上的比容量可超200mA·h/g,是目前所用正极材料实际容量的两倍左右,被认为是继磷酸铁锂和三元材料之后最具前景的动力电池用正极材料。

  但富锂锰基充放电效率低、循环稳定性差,使用过程中还会出现持续的电压衰减,且4.8V高压电解液是一项极具挑战性的研发工作,这在一定程度上降低了其高比容量带来的优越性。

  可以看出,相较于市面上主流的磷酸铁锂和三元动力电池,高电压、成本低、循环寿命短是锰基电池的共同特性。

  目前,上述四种锰基正极材料中只有锰酸锂得到广泛应用,年度产销量在10万~12万吨。但由于锰酸锂比容量上限仅约148mAh/g,电池能量密度较低,多用于轻型动力领域。高工锂电数据显示,2020年锰酸锂材料在二轮车电芯市场出货规模中排名第一,市场份额达45%。

  锰基材料产业化进程正在加速

  虽然存在一定短板,但近年来随着材料改性技术的进步,锰基正极材料的产业化进程正在加速。中信证券预计锂电池用锰量将出现大幅增长,到2035年有望增至130万吨以上,超过2021年的10倍,锰将成为“不容忽视的第四种电池金属”。

  中信证券认为,率先发力新型锰基材料研发生产的正极企业和向下游电池材料延伸的锰产品制造商料将受益,并建议围绕这两条主线进行投资。

  从最上游的锰资源开采来看,青岛中程(300208.SZ)持有东帝汶锰矿约476公顷,目前勘探面积为103.47公顷,储量约34万吨,锰含量约为45%-60%;三峡水利(600116.SH )则拥有锰矿开采、电解锰生产加工及销售的完整产业链。

  原料加工企业方面,五矿资本(600390)拥有亚洲最大的四氧化三锰厂和国内最大的电解金属锰生产基地,市场占有率超50%;红星发展(600367)子公司大龙锰业主要生产一次电池和锂电池用的电解二氧化锰(锰酸锂的主要原材料)、三元正极材料使用的高纯硫酸锰等产品;中钢天源(002057)则是全球最大的四氧化三锰制造商。

  另有锰产品制造商已开始积极向下游拓展电池材料业务。

  湘潭电化(002125)是国内规模最大的电解二氧化锰生产企业,电解二氧化锰年产12.2万吨。公司产品涵盖了碳锌电池级、无汞碱锰电池级、一次锂锰电池级、锰酸锂电池级和高性能电池级五大类。公司正在布局锰酸锂、四氧化三锰等锰系新能源电池材料。为了节约资本,公司正在湖南、广西等地寻找低成本、安全性高的优质锰矿资源,现已取得湘潭楠木冲锰业有限公司51%的控股权、广西靖西市爱屯锰矿普查探矿权,楠木冲锰矿复产后,有望为公司提供资源保障。

  正极企业中,德方纳米(300769.SZ)、当升科技(300073.SZ)、厦钨新能(688778.SH)、容百科技(688005.SH)相继开展在锰基电池材料方案的布局。

  磷酸锰铁锂方面,德方纳米进度较为领先。公司在2021年和2022年与云南省曲靖经开区管委会共签订了100亿元的新型磷酸盐系正极材料生产基地项目的投资协议,布局内容为石墨烯复合磷酸铁锰锂锂离子电池正极材料的关键技术研发。公司现具有百吨级别的中试线,相关产品已经送样电池厂,电池端测试已基本完成,现已进入车端验证阶段。当升科技、厦新能则仍处于小试阶段。有业内人士称,磷酸锰铁锂目前没有规模化应用,但应该很快会提上议程。

  值得一提的是,“宁王”也已悄然布局磷酸锰铁锂材料业务。2021年11月,宁德时代(300750.SZ)对江苏力泰锂能科技有限公司先是签订股权转让协议,紧接着认购新增注册资本。一番操作下来,宁德时代拥有力泰锂能60%股权,成为其第一大股东。而力泰锂能主打产品就是磷酸锰铁锂材料,且拥有多项磷酸锰铁锂国家注册专有技术知识产权专利。

  相比之下,布局镍锰酸锂材料的企业较少。容百科技2021年三季度报显示,公司LNMO材料的小试工艺已经成熟,正积极推进性能优化及工艺放大实验。

  富锂锰基方面,国内已有多家公司储备了相关生产技术。容百科技、当升科技目前已进入小试阶段。多氟多、振华新材等企业据悉也开展了富锂锰基相关研发工作。

  锰基正极终究只能是“配角”?

  整体来看,目前企业布局主要集中在上游原料端,电池材料虽有布局但尚未大规模量产,从事相关电池生产的企业更是屈指可数。

  新型锰基电池什么时候能迎来大规模的商用时代?

  “锰基电池只会适当占有市场,是辅助产品,不会成为主流。”有新能源分析师表示,比如磷酸锰铁锂具有与三元5系相近的能量密度,二者混合后在提升电池安全性和使用寿命的同时,还能进一步优化成本,在未来2-3年更多会以复配三元材料的方式加以应用。

  中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高也表示,当时比亚迪舍弃磷酸锰铁锂技术的原因之一就是单独使用会面临一些难题。磷酸锰铁锂电池的材料粒径需要做到50纳米,粒径小就易吸水,压实密度也会降低,但与三元锂电池配合使用有不错的效果。

  但也有分析师表示,锰基材料电池有一定性价比了,但循环次数有差距,如果循环次数能提升,是有可能对磷酸铁锂和中三元产生冲击的,技术的突破还是主要问题。

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