2022年锂电池行业专题 正极材料新方向磷酸锰铁锂分析

一、锂离子电池行业：上游决定成本，成本推动技术

1.正极材料性能极大影响锂离子电池性能

锂离子电池充放电的核心是锂离子的嵌入和脱嵌，即锂离子在电解液中通过隔膜在正负极 之间移动。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物作正极材料，碳素材料为负极的电池。其充放 电的过程就是锂离子嵌入和脱嵌的过程。充电时，正极产生的锂离子通过电解液跨越隔膜运动 到负极。碳素作为负极材料呈层状结构并伴有很多微孔，当锂离子运动到负极之后就会嵌入微 孔之中。嵌入的锂离子越多代表电池充电容量越高。放电时，嵌入的锂离子脱出并运动回正极， 此时回正极的锂离子越多代表电池放电容量越高。

正极材料作为锂离子来源成为提高电池性能的关键。从工作原理来看，锂离子嵌入化合物 作为正极材料为电池充放电提供锂离子，也正因此正极材料的性能是锂离子电池电化学性能的 决定性因素。目前商用的正极材料主要有钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元 材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。这些材料的性能差异决定了各类锂离子电池在 能量密度、循环性、稳定性、安全性等方面的不同。

2.正极材料成本决定锂离子电池成本，推动降本增效技术发展

锂离子电池部件中正极材料成本占比最大，降本增效技术随之涌现。锂离子电池主要由正 极材料、负极材料、隔膜、电解液、铜箔等部件构成，其中正极材料成本占比高达 45%，决定 着锂离子电池成本的高低。成本又取决于技术，随着新能源补贴政策的退坡、上游金属原材料价格的上升以及终端新能源汽车需求的增加，正极材料厂商成本不断增加，在保持、提升电池 性能的基础上研发降本技术随之成为必经之路。目前，正极材料市场上，磷酸铁锂（LFP）和 三元材料作为主流并行发展，在此基础上不断衍生出低成本高电压的新型正极材料。比如，在 磷酸铁锂基础上研发出的磷酸锰铁锂（LMFP）、三元材料的高镍化材料镍锰酸锂、富锂锰基 材料等。本篇报告的重点在于研究磷酸锰铁锂。

二、正极材料新方向：磷酸锰铁锂

1.磷酸铁锂升级产品，打破能量密度瓶颈

磷酸铁锂能量密度几乎已达上限，磷酸锰铁锂打破瓶颈。根据工信部最新公布的 2022 年第 五批新能源汽车推广应用推荐车型目录，磷酸铁锂电池能量密度最高达 161.27Wh/kg，且近几 年并没有太大变化，磷酸锰铁锂也因此发展起来。电池能量密度=电池容量*电压平台/重量，磷 酸铁锂电池的理论克容量为 170mAh/g，目前几乎已经到达极限，因此提高电压平台是提高能量 密度的决定性因素。磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂的基础上掺杂一定比例的锰所得到的一种新型磷 酸盐。锰的高电压特性使得磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具备更高的电压平台，由此打破目前电池 能量密度上限。

2.对比磷酸铁锂和三元材料，低成本和高电压有望实现兼得

2.1与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂高压低温优势凸显

磷酸锰铁锂相比磷酸铁锂具备高电压、高能量密度以及更好的低温性能。磷酸锰铁锂和磷酸铁锂理论容量相同（170mAh/g），但磷酸铁锂的电压平台只有 3.4V，而磷酸锰铁锂最高可达 4.1V，且位于有机电解液体系的稳定电化学窗口，这也使磷酸锰铁锂具备更高的能量密度上限。 而且当磷酸锰铁锂的实际容量与磷酸铁锂相同时，磷酸锰铁锂能量密度可以比磷酸铁锂提高 15%。低温性能方面，以德方纳米的产品为例，其各类纳米磷酸铁锂产品在-20℃时容量保持率 平均约在 67%，但其磷酸锰铁锂在-20℃下容量保持率约为 71%，与质量占比 15%的三元材料混 合时-20℃容量保持率可以达到 74%左右。

2.2与三元材料相比，低成本高循环高稳定

磷酸锰铁锂相比三元材料具备更低的成本、更高的循环次数以及更稳定的结构。三元材料 的主要原材料包括钴、镍、锰三种元素，而磷酸锰铁锂的主要元素为锰和铁。根据 Wind 数据 披露，钴和镍的市场价格远高于锰元素，因此三元材料的成本会高于磷酸锰铁锂。另外磷酸锰 铁锂的循环寿命高达 2000 次，而三元材料的循环寿命仅在 800 次-2000 次之间，差距较为明显。 从结构来看，相比层状结构的三元材料，具有橄榄石结构的磷酸锰铁锂在充放电过程中会更加 稳定，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，这也使得磷酸锰铁锂具 备很高的安全性和稳定性。

3.磷酸锰铁锂的缺点催化改性技术的发展

3.1导电性和锂离子扩散速率限制磷酸锰铁锂发展

磷酸锰铁锂的结构特性决定了其导电性差和锂离子扩散速率低的缺点，进而影响其倍率性 能。磷酸锰铁锂具有六方密堆结构，FeO6和 MnO6位于八面体上，并通过 PO4四面体交叉连接， 不存在连续的 FeO6（MnO6）共棱八面体网络，这使得其导电性很差。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，限制其只能在一维通道中运动，导致锂离子扩 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， 也因此限制了其进一步的大规模应用。

3.2.Jahn-Teller效应减低循环寿命及循环稳定性

Jahn-Teller 效应促进锰析出导致循环寿命衰减、循环稳定性降低。Jahn-Teller 效应指电子 在简并轨道中的不对称占据会导致分子的几何构型发生畸变。非线性 MnO6八面体场中，高自 旋 Mn3+具有非常大的磁矩，且在二重简并的 eg轨道上仅有一个电子，电子分布不对称，最终导 致 MnO6 八面体畸变，促进 Mn3+歧化反应的进行，影响稳定性和循环性。另外，电解液分解产 生的酸进一步腐蚀正极材料中的锰离子，加速 Mn3+歧化反应进程，促使 Mn2+和 Mn4+溶解在电 解液中，并通过隔膜迁移至负极，在负极发生还原反应析出，进而破坏负极的 SEI 膜（固体电 解质界面膜）。SEI 膜的形成会消耗一部分锂离子，遭到破环的 SEI 膜在进行修复时也会消耗 一部分锂离子，这导致锂离子减少，进而降低电池容量，影响其循环寿命和循环稳定性。

3.3.双电压平台增加后期电池管理系统（BMS）管理难度

锰、铁充放电电压的不同导致 LMFP 出现双电压平台，后期 BMS 的管理难度加大。以放 电过程为例，Mn2+在 4.1V 附近转化成 Mn3+ ，Fe2+在 3.5V 附近转化成 Fe3+，这导致 LMFP 出现 双电压平台，在放电过程中发生电压骤降的问题，进而增加了后期电池管理系统（BMS）的管 理难度。

3.4.改性技术实现性能改良

纳米化、包覆、掺杂及复合三元等措施单一或协同作用可以针对磷酸铁锰锂的缺点进行性 能改良。

通过纳米化、碳包覆、复合三元及掺杂等方法可以改善导电性和倍率性差的问题，目前诸 多公司已有相关改性技术的专利来解决此类问题。比如德方纳米的纳米化及石墨炔复合，厦门 钨业的纳米化、碳包覆以及 Ti 掺杂等。通过包覆、核壳结构、复合三元等方法可以减少 Mn 溶 出，提高稳定性和循环性能。比如国轩高科的氮化钛和碳双重包覆以及核壳型结构，亿纬锂能 的聚三苯胺包覆，比亚迪的碳材料和 Mo2N 的均匀壳层结构、高镍三元单晶包覆以及复合三元， 均是通过避免磷酸锰铁锂直接与电解液接触而减少 Mn 溶出。双平台电压问题可以通过复合三 元以及包覆解决，比如亿纬锂能通过聚三苯胺包覆，利用其充放电性弥补磷酸锰铁锂的双电压 平台的不足，提升电池体系的抗过充、过放能力，增加磷酸锰铁锂正极材料的适配性。

三、供需变动促进磷酸锰铁锂发展

1.金属原材料供给紧张，价格上涨，降本成为关键

上游钴和镍等金属原材料资源稀缺，价格昂贵，导致三元材料成本居高不下，磷酸锰铁锂 与三元材料混用可大幅降低成本。据 2020 年全国矿产资源储量统计，有色金属矿产共计 93,765.5 万吨，其中镍矿 399.64 万吨，钴矿 13.74 万吨，分别仅占 0.43%和 0.01%。资源稀缺导致上游 金属原材料供给紧张，价格昂贵，使得以钴和镍等金属为主要原材料的三元材料的成本大幅增 加。在保证材料电化学性能的基础上，通过将磷酸锰铁锂与三元材料混用，在结合二者优势的 基础上降低钴和镍的使用量，降低成本。

2.终端需求驱动技术进步

终端客户对于新能源汽车在价格和性能方面的需求驱动正极材料技术的提升。新能源汽车 的客户群体往往追求低价格与优性能，价格和性能又与电池正极材料的成本和技术息息相关。 目前正极材料主流市场以磷酸铁锂和三元材料并存发展为主线，但低成本和高电压依旧无法同 时兼得。同时随着新能源汽车需求的不断攀升以及政府对于新能源汽车补贴政策的退坡也使得 降本和提升性能迫在眉睫。因此在降本基础上提升电池性能的新技术迎来发展机会，磷酸锰铁 锂就是发展新技术下的产物。

四、磷酸锰铁锂产业化进程加快

1.相关专利申请数量不断攀升

国内正极和电池厂商近年来不断布局磷酸锰铁锂相关新技术。自 2014 年以来，正极厂商 和电池厂商纷纷研发磷酸锰铁锂相关技术，相关专利数量逐年攀升，截至 2022 年 6 月，国家知 识产权局已公告相关专利共计 240 项，其中比亚迪和国轩高科相关专利数量稳居前列。

2.企业相关布局进程加快

国内正极和电池厂商随着市场不断发展纷纷开始布局磷酸锰铁锂。正极厂商包括德方纳 米、当升科技、力泰锂能等公司均已开始开发磷酸锰铁锂材料，电池厂商宁德时代也开始布局 相关投资。

3.应用前景广阔

应用前景一：与单晶锰酸锂混掺。2022 年 6 月 9 日，星恒和雅迪召开新品发布会，发布了 具备 222.4 公里极限里程的雅迪碳纤维 2.0&星恒 FAR 远征系列锂电池，该系列电池为第二代混 掺单晶锰酸锂搭配磷酸锰铁锂的新型复合材料。该材料通过单晶锰酸锂科技减少锰离子溶解， 提升循环次数，还可以充分结合二者的优势，从循环寿命、安全性、低温性能、能量密度等各 个方面得到提升。另外还剔除了钴、镍等高成本的稀有金属，可以更好地发挥成本优势。

应用前景二：与三元混用。通过常规方法配置磷酸锰铁锂与三元材料的复合材料，可以使 不规范形貌的小粒径磷酸锰铁锂原料充分填充于三元大粒径的空隙间，降低传荷电阻并分散阻 抗，而且伴随循环的进行该种结构不会发生改变，提升了低温性能和循环寿命。通过下表复合 前后性能对比，无论是复合 20%还是 80%三元材料，都会在磷酸锰铁锂的基础上更好的提升性 能，同时还可以减少钴、镍等贵金属的使用，补足三元材料高成本和低稳定性的缺点，更好的 发挥成本优势。

应用前景三：单独使用。磷酸锰铁锂在电动二轮车方面的应用成功进入终端阶段。天能生 产的磷酸锰铁锂 18650 电池已成功应用在小牛新款 F0 系列电动车中，其低温性能提升超 25%。 磷酸锰铁锂单独使用相比磷酸铁锂能量密度更高，相比三元材料安全性更好。但也存在诸多需 要改进的技术难题，比如锰和铁电压平台不同以及锰比例过高导致 Jahn-Teller 效应使锰析出等 问题。

五、重点企业分析

德方纳米

德方纳米是国内磷酸铁锂龙头企业，致力于锂离子电池核心材料的研发、生 产和销售。核心产品是纳米磷酸铁锂，广泛应用于新能源汽车和能系统等领域。2019 年至 2021 年公司营收分别为 10.54/9.42/48.42 亿元，同比增速分别为 0.04%/-10.62%/413.93%；2019 年至 2021年公司归母净利润分别为1.00/-0.28/8.01亿元，同比增速分别为2.07%/-128.36%/2,918.83%； 2019 年至 2021 年，销售毛利率除 2020 年受疫情影响降低至 10.36%以外，其余均在 20%以上，2021 年达到五年以来最高值 28.85%；2019 年至 2021 年公司研发支出逐年上升。

在技术上，德方纳米自主研发了“自热蒸发液相合成纳米磷酸铁锂技术”、“非连续石墨 烯包覆技术”等多项核心技术，是行业内唯一一家采用液相法制备磷酸盐系正极材料的公司， 并在 2014 年申请了磷酸锰铁锂相关技术专利，是行业内最早开始布局的公司。目前，公司现有 磷酸铁锂正极材料产能 15.5 万吨/年，公司在建及拟建的磷酸盐系正极材料产能为 62 万吨，其 中包括曲靖德方年产 11 万吨新型磷酸盐系正极材料生产基地项目以及年产 33 万吨新型磷酸盐 系正极材料生产基地项目。年产 11 万吨新型磷酸盐系正极材料项目预计将于今年第四季度投 产。由此看出，德方纳米在磷酸锰铁锂上具备技术和产能的先发优势。

当升科技

当升科技是国内锂电正极材料的龙头企业，主要从事钴酸锂、多元材料及锰 酸锂等小型锂电、动力锂电正极材料的研发、生产和销售。2019 年至 2021 年公司营收分别为 22.84/31.83/82.58 亿元，同比增速分别为-30.37%/39.36%/159.41%；2019 年至 2021 年公司归母 净利润分别为-2.09/3.85/10.91 亿元，同比增速分别为-166.12%/285.92%/180.71% ； 2019 年 至 2021 年，销售毛利率有所下降，但近五年一直维持在 18%以上；2019 年至 2021 年公司研发支 出逐年上升，2021 年达到近五年研发支出最高水平。

公司在全球高端动力电池正极材料市场具备技术领先优势，其中高压实、长寿命团聚型高 镍产品持续向国际高端客户供货，并快速放量；高密度、低产气单晶型高镍产品获得国际大客 户认可；团聚单晶复合型高镍产品持续迭代开发；高压实、高容量型 Ni95 产品已完成国际客 户验证，产品性能达到国际领先水平；公司超高镍产品 Ni98 正在开展客户认证工作。2021 年， 公司开始加快涉足磷酸铁锂市场，成功完成磷酸铁锂工艺定型，针对电动车和高端储能市场开 发更高性能的磷酸铁锂和磷酸锰铁锂材料。公司还成功开发固态锂电产品并实现量产。另外， 公司还在开展燃料电池、钠离子电池等新型电池体系关键材料的研发。

宁德时代

宁德时代是全球领先的动力电池系统提供商，专注于新能源汽车动力电池系 统、储能系统的研发、生产和销售，并在电池材料、电池系统、电池回收等产业链关键领域拥 有核心技术优势及可持续研发能力。主营业务中，动力电池系统占比最大，2021 年营收占比 0.19%，其次为锂电池材料，占比 11.86%。在磷酸锰铁锂材料上，公司在 2015 年就已申请相关 技术专利，为同行业公司最早申请的公司之一，占据技术先发优势。2021 年，公司以 60%股权 投资磷酸锰铁锂材料公司力泰锂能，继续深入磷酸锰铁锂材料的市场布局，这有望使公司在电 池企业中率先使用磷酸锰铁锂材料，成功占据市场领先优势。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）