鉅大LARGE | 點擊量：551次 | 2022年06月22日
錳基材料為動力鋰電池行業(yè)帶來"新靈感"
前一段時間，TSLA首席執(zhí)行官馬斯克對錳基電池材料發(fā)表了簡要的評價："我認為，錳電池有潛力!"這條消息被迅速傳播，以至于有人說電池材料加錳將成為趨勢。
錳基電池有發(fā)展前景，不是馬斯克的新發(fā)現(xiàn)，20年前研究人員就已涉及。日產汽車采用錳酸鋰電池，但其后來沒有成為市場主流。比亞迪也曾嘗試推廣磷酸鐵錳鋰電池，隨后不久就棄之不用，還是走上了磷酸鐵鋰電池的"康莊大道"。三元鋰電池重要有兩種，其中之一是鎳鈷錳（NCM），在汽車上已被使用多年。
錳基電池材料被馬斯克提及，讓部分汽車圈人士不禁出現(xiàn)疑問，這會成為趨勢嗎？我國科學院寧波材料技術和工程研究所研究員夏永高告訴《我國汽車報》記者，磷酸鐵鋰電池的能量密度遇到了"天花板"，錳基材料的高電壓特性成為人們嘗試的一個突破點。不過，錳基材料在工程化的過程中還有一些難題要解決。
01、錳基材料電池不是新鮮事物
我國科學院物理所研究員李泓告訴記者，20年前，錳基材料電池就被研發(fā)出來，日產聆風配裝錳酸鋰電池，而磷酸錳鋰電池幾乎沒有被采用。"最近被人們廣泛討論的錳基材料電池不是新鮮事物，其優(yōu)勢明顯，短板也突出。"他說。
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據(jù)了解，行業(yè)一般使用5項關鍵指標衡量電池的性能，分別是能量密度、倍率性能、成本、安全性和循環(huán)壽命。錳酸鋰電池的能量密度不及磷酸鐵鋰電池，循環(huán)壽命、高溫儲存特性也存在短板，但成本比磷酸鐵鋰電池低，快充性能表現(xiàn)良好，低溫性能也比較突出，安全性介于三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池之間。
李泓說："錳酸鋰比磷酸鐵鋰成本低20％～30％。另外，錳酸鋰電池的單體電壓較高，達到3.9V，磷酸鐵鋰電池為3.4V，三元鋰電池為3.8V。單體電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯。"
和磷酸鐵鋰電池相比，磷酸錳鋰電池的能量密度高20％，成本也更低；和錳酸鋰電池相比，磷酸錳鋰電池的能量密度更高，高溫循環(huán)壽命更長；和三元鋰電池相比，磷酸錳鋰電池具有相似的能量密度，但更安全、成本更低。
這樣看來，似乎磷酸錳鋰兼具各方面的優(yōu)點，應該成為錳基材料電池的研發(fā)方向。然而，人們卻在市場上幾乎找不到商品化的磷酸錳鋰電池。夏永高說："磷酸錳鋰材料本身面對結構的限制，合成穩(wěn)定可逆充放電的產品非常困難，同時也存在電子電導率和鋰離子擴散速率低的問題。"
錳不屬于稀缺元素，加上電壓高的特點，研究人員仍在努力尋求克服短板的解決方法。據(jù)介紹，李泓團隊正努力在固態(tài)電池研發(fā)上解決錳酸鋰高溫性能差的弱點，以盡快實現(xiàn)技術產業(yè)化。全球多家機構也在嘗試多種方式，包括碳包覆、離子摻雜、納米化等，以彌補磷酸錳鋰材料的短板。
02、錳基材料更適合三元鋰電池
受政策導向的影響，多年前，三元鋰電池備受市場青睞，隨著新能源汽車補貼逐步退坡，磷酸鐵鋰電池的低成本優(yōu)勢愈加受到重視，越來越多的公司和車型轉而采用。不過，磷酸鐵鋰電池的能量密度極限值較低，恐難滿足消費者對超長續(xù)駛里程的需求，另外，其快充性能也不突出，導致用戶的補能體驗不佳。
動力鋰電池的能量密度和正極、負極、電解質等關鍵材料密切相關。經過行業(yè)的多年挖掘，磷酸鐵鋰電池正極材料的容量幾乎達到了"天花板"，很難有大的突破。為了發(fā)揮磷酸鐵鋰電池的最大功效，研發(fā)人員紛紛把目光聚焦于負極材料。
據(jù)介紹，硅基負極材料的比容量可以達到4200mAh/g，遠高于石墨負極372mAh/g的理論比容量，這個重大發(fā)現(xiàn)讓磷酸鐵鋰電池煥發(fā)出"第二春"。磷酸鐵鋰電池的能量密度曾長期徘徊于170Wh/kg，采用硅碳負極后，其能量密度迅速上升到190Wh/kg之上。
正負極是電池發(fā)生電化學反應的場所，兩類材料的潛力都被深挖到極致，研究人員很難再找出新的材料提升磷酸鐵鋰電池的能量密度。"磷酸鐵鋰電池的能量密度幾乎觸碰到‘天花板’，很難再提高。"夏永高認為。
不僅磷酸鐵鋰電池的材料潛力被挖掘到極致，生產工藝的提高也接近極限。夏永高告訴記者，磷酸鐵鋰的壓實密度已達到2.0g/cm3，接近極限，很難再壓縮。在這種情況下，研究人員紛紛把目光瞄向新材料，錳基材料憑借高電壓特性進入了人們的視線。夏永高說："研發(fā)人員嘗試在磷酸鐵鋰中加入錳元素，得到了磷酸鐵錳鋰電池，它的單體電壓達到4.1V，遠高于磷酸鐵鋰電池的3.4V。"
比亞迪多年前嘗試在磷酸鐵鋰電池中加入錳元素，對外宣稱研發(fā)出磷酸鐵錳鋰電池。盡管其和磷酸錳鐵鋰的名稱有所不同，但材料體系相同。后來，比亞迪為何棄之不用？夏永高告訴記者，磷酸錳鐵鋰電池單獨使用會面對一些難題，它的材料粒徑要做到50納米，磷酸鐵鋰的粒徑約為數(shù)百納米，粒徑小就非常容易吸水。磷酸錳鐵鋰材料在空氣中的吸水量很快就能達到6000～7000PPM，造成表面的改性。此外，粒徑太小，壓實密度也會降低。
磷酸錳鐵鋰材料不能單獨使用，為何行業(yè)還熱衷繼續(xù)研發(fā)？在夏永高看來，磷酸錳鐵鋰和三元鋰電池配合使用有不錯的效果。磷酸錳鐵鋰不適合和磷酸鐵鋰電池混合使用，因為兩者之間電壓相差0.7V，BMS很難加以處理。而三元鋰電池的電壓為3.8V，和磷酸錳鐵鋰的比較接近。
03、相關公司加快研發(fā)生產布局
受補貼政策導向的影響，以往磷酸錳鐵鋰材料不受重視，很多公司青睞三元鋰電池，并且往高鎳的方向發(fā)展。鎳的含量提高，安全性隨之降低。磷酸錳鐵鋰和三元材料混合使用，電池的能量密度有一些下降，但安全性可大幅提高。據(jù)介紹，磷酸錳鐵鋰材料和三元材料進行復配，可將電池的能量密度提高到200Wh/Kg以上，并且有良好的循環(huán)性能。這種復合方法也具有提高電池在低SOC下功率密度的用途。
認識到磷酸錳鐵鋰材料的特性后，CATL、國軒高科等電池公司加入這方面的研發(fā)行列中，并且拿出了可以部分量產的產品。而天津斯科蘭德科技有限公司（以下簡稱"斯科蘭德"）針對電池供應商的需求，正在擴大自己的磷酸錳鐵鋰材料生產線。
斯科蘭德總經理李積剛對記者表示，該公司是國內首家規(guī)模實現(xiàn)磷酸錳鐵鋰材料商業(yè)化的公司，也是惟一實現(xiàn)千噸級出貨的公司。他對磷酸錳鐵鋰材料的前景充滿信心。
動力鋰電池發(fā)展的方向，一是安全性，二是低成本，三是高能量密度。此外，我國動力鋰電池產業(yè)還必須考慮資源"卡脖子"的問題，三元鋰電池中的鎳、鈷都要依靠進口，用磷酸錳鐵鋰材料復合三元材料，可以降低鎳、鈷的使用，并且可以提高產品安全性。
李積剛告訴記者，2021年底，斯科蘭德已具備5000噸的年產量，2022年底將達到2萬噸，2023年底提升至5萬噸，2024年底沖刺10萬噸。"錳元素電壓高，電壓高伴隨著高能量密度，這將是未來的發(fā)展方向，也是我們敢于擴大產量的依據(jù)。"他說道。
中信證券的研究報告也指出，錳將成為"不容忽視的第四種電池金屬"。根據(jù)這份報告，2021年，錳在電池行業(yè)的應用合計占比約2％，其中鋰電池用錳量占比約0.5％。該方預計，受益于三元正極材料和錳酸鋰材料出貨量的快速上升，2025年鋰電正極材料用錳量將超過30萬噸，2021～2025年復合上升率（CAGR）為32％。
