新能源锂电池系列报告之十二：磷酸锰铁锂性能优成本低，工艺改进产业加速

新能源与汽车 行业研究/深度报告 磷酸锰铁锂性能优成本低，工艺改进产业加速 2022-11-08 报告日期： 行业评级：增持 --新能源锂电池系列报告之十二 主要观点： 为什么磷酸锰铁锂是正极发展方向：安全性能优于三元，能量密度高 行业指数与沪深300走势比较 15% 1% 11/212/225/228/2211/22 -12% -25% -39% -52% 电力设备沪深300 分析师：陈晓 执业证书号：S0010520050001邮箱：chenxiao@hazq.com 联系人：牛义杰 执业证书号：S0010121120038邮箱：niuyj@hazq.com 相关报告 1.《锂行业深度报告之锂复盘展望与全球供需梳理：供需支撑高锂价利润上移，资源为�加速开发》2022-3-20 2.《三元高镍化大势所趋，四个维度考量盈利成本经济性-新能源锂电池系列报告之八》2022-5-18 3《.硅基负极，锂电材料升级的必经之路-新能源锂电池系列报告之九》2022-5-26 4.《性能成本经济性双轮驱动，单晶三元优化选择放量高增-新能源锂电池系列报 告之十》2022-6-14 5.《隔膜壁垒高，涂覆一体化加速，龙头强二梯队降本增利弹性大-新能源锂电池系列报告之十一》2022-7-17 于磷酸铁锂，成本优势明显 磷酸锰铁锂晶体结构与磷酸铁锂相似，具有化学性质稳定，安全性能优异的特点，同时掺杂的锰元素可提高材料的充电电压，将充电电压由磷酸铁锂的3.4V提升至4.1V，使得电池能量密度理论提升15-20%，进一 步扩大续航范围，因此LMFP安全性能优于三元，能量密度高于LFP， 此外LMFP对稀有金属依赖度低，可与LFP共线生产，成本优势明显 产业化需要解决的问题：导电性差，倍率性能差，循环寿命短LMFP自身的橄榄石晶体结构使得其导电性及倍率性能较差，同时正极的锰元素变价发生Jahn-teller效应，锰离子溶出，导致电池极化增大。溶解到电解液中的锰元素会沉积在负极表面，破坏SEI层结构，造成容 量损失，循环性变差。 主流工艺：液相法品质更优，固相法压实高工艺简单实际生产更广泛 固相法采用机械研磨的方式进行原材料的混合、反应，保证了材料的压实密度，再通过烧结在产物表面包覆碳源，提高材料导电性。液相法利用自发热设备将原材料全部溶解，从而实现分子级别更较均匀的结合，提高材料循环寿命。两者相较而言，液相法品质更优，但工艺难度也更大。高温固相法因其压实密度高、工艺简单、成本低廉、产量较高的特点，在实际工业制造中被广泛采用。 如何解决LMFP固有缺陷：锰铁比例是核心，改性技术是关键 合适的锰铁比例能够有效结合锰铁两种元素的优势特点，实验表明当锰与铁含量的比例为4:6时，该系列材料的能量密度达到最大值，为557Wh•kg−1。改性技术改善LMFP材料性能：纳米化提升材料倍率性能和 低温性能，碳包覆工艺优化材料的电化学性能，提升循环寿命。 2025年市场需求将达到144.13GWh，各企业积极布局，产业化加快 磷酸锰铁锂应用领域丰富，未来将主要应用于动力、两轮车及储能领域我们预计2025年磷酸锰铁锂电池市场需求有望达到144.13GWh。近年来LMFP相关专利申请数量快速增长，正极材料及电池厂商积极推进相 关测试研究，披露规模化扩产计划，产业化进程加快。未来兼备工艺专利技术以及大规模量产的公司或有先发优势。 投资建议 我们看好具有先发技术优势的正极材料和下游具备优势的电池企业，推荐关注德方纳米，宁德时代，当升科技，光华科技。 风险提示 新能源汽车发展不及预期；相关技术出现颠覆性突破；行业竞争激烈，产品价格下降超出预期；磷酸铁锂产能扩张不及预期。 正文目录 1总论4 2磷酸锰铁锂是正极材料发展方向8 2.1正极材料快速发展，磷酸铁锂能量密度接近天花板8 2.2磷酸锰铁锂优势明显，高安全高能量密度低成本9 2.3磷酸锰铁锂电导率差寿命短限制其发展11 3优化路线：锰铁比例是核心，改性技术是关键11 3.1固相法压实密度较高，产业化进展快11 3.2合适的锰铁比例带来性能更全面的提升13 3.3改性技术是关键，占据先发技术优势14 4应用领域丰富，产业化进程加速16 4.1LMFP市场空间测算16 4.2专利申请数增加，电池厂、材料厂加快布局19 5重点公司20 5.1德方纳米20 5.2宁德时代20 5.3当升科技20 5.4光华科技20 风险提示21 图表目录 图表1锂电池成本构成4 图表2不同类型电池装机量市场占比变化4 图表3三元NCM、LFP、LMFP性能对比4 图表4磷酸锰铁锂产业化难题及解决办法5 图表5全球车用动力电池领域LMFP需求测算5 图表6LMFP企业产业化进展6 图表7磷酸锰铁锂重点公司7 图表8中国锂电池正极材料产业链全景图8 图表9锂电池成本构成8 图表10正极材料出货量（万吨）8 图表11不同类型电池装机量市场占比变化8 图表12LFP电池系统能量密度变化（WH/KG）9 图表13橄榄石型LIFE0.5MNPO4的结构示意图9 图表14LMFP与LFP均通过安全测试9 图表15LMFP较LFP有更高的放电平台10 图表16LFP与LMFP电化学性能对比10 图表17钴镍价格走势（万元/吨）10 图表18硫酸锰价格走势（万元/吨）10 图表19NCM、LFP、LMFP导电性能参数对比11 图表20LMFP充放电有两个电压平台11 图表21传统制造工艺流程图12 图表22引入二次包碳的高温固相法12 图表23一次包碳和二次包碳下的LMFP的SEM图13 图表24不同锰铁比例的LMFP放电曲线13 图表25不同锰铁比例的LMFP克容量和能量密度变化13 图表26不同锰铁比例的LMFP倍率性能14 图表27锰掺杂比例对磷酸锰铁锂材料性能的影响14 图表28磷酸锰铁锂产业化难题及解决办法15 图表29磷酸锰铁锂-碳复合材料制备流程15 图表30德方纳米NCM表面包覆LMFP示意图15 图表31德方纳米NCM表面包覆LMFP示意图16 图表32LIFE0.48MN0.48MG0.04PO4材料结构16 图表33正极材料粒度分布（ΜM）17 图表34全球车用动力电池领域LMFP需求测算17 图表35全球电动自行车领域LMFP需求测算18 图表36全球储能电池领域LMFP需求测算18 图表372015-2021年磷酸锰铁锂相关专利申请数19 图表38LMFP产业化进展19 1总论 正极材料是决定锂电池性能的关键材料之一，占整个锂电池制造成本超过50%。三元和磷酸铁锂是目前的主流正极材料，受益于CTP技术的发展，磷酸铁锂凭借循环寿命长，安全性能高以及成本低等优势不断提高市占比例，国内磷酸铁锂装机量占比从2019 年的33%提升到2022年的55%，进一步抢占三元中镍市场空间。 图表1锂电池成本构成图表2不同类型电池装机量市场占比变化 NCMLFP其他 2017年2018年2019年2020年2021年2022.05 80% 60% 40% 20% 0% -20% 资料来源：GGII，华安证券研究所资料来源：GGII，华安证券研究所 LMFP安全性能优于三元材料，能量密度高于LFP，成本优势明显。LMFP被认为是磷酸铁锂的升级版，是在磷酸铁锂基础上掺杂大量锰元素得到的新型正极材料。晶体 结构与LFP相似，具有化学性质稳定，安全性能优异的优点。掺杂的锰元素提高了材料的充电电压，将磷酸锰铁锂正极材料的充电电压由磷酸铁锂的3.4V提升至4.1V，使得电池能量密度理论提升15-20%，进一步扩大续航范围。因此LMFP相比三元材料安全性更 高，相比LFP能量密度更高。另外由于对稀有金属依赖度低，能与LFP共线生产，成本优势明显。 图表3三元NCM、LFP、LMFP性能对比 类型 三元NCM LFP LMFP 晶体结构 层状 橄榄石 橄榄石 导电性能 良好 优秀 一般 比容量（mAh/g） 150-220 140-150 140-150 压实密度（g/cm3） 3.7-3.9 2.2-2.3 2.3-2.6 电压平台（V） 3.4-3.8 3.4 4.1 循环次数 800-2000 2000-6000 2000 安全性 良好 优秀 优秀 资料来源：高工锂电，华安证券研究所 LMFP倍率性能差，循环寿命短。由于橄榄石晶体结构的电子电导率较差，材料反应活性不高，低温性能不佳。另外，磷酸锰铁锂存在独特的锰析出问题，正极的锰元素变价发生Jahn-teller效应，锰离子溶出，导致电池极化增大；溶解到电解液中的锰元素会沉积在负极表面，破坏SEI层结构，造成容量损失，循环性变差。 固相法和液相法是制备LMFP两大类方法，固相法为主流。固相法采用机械研磨的 方式进行原材料的混合、反应，保证了材料的压实密度，再通过烧结在产物表面包覆碳源，提高材料导电性。液相法利用自发热设备将原材料全部溶解，从而实现分子级别更 较均匀的结合，提高材料循环寿命。其中，高温固相法因其压实密度高、工艺简单、成本低廉、产量较高的特点，在实际工业制造中被广泛采用。液相法生产出的材料质量高，但工艺难度和成本也较高，目前德方纳米是液相法量产的龙头企业。 具有一定的技术壁垒，掌握核心技术以及量产能力的企业具有先发优势。解决LMFP 材料固有缺陷主要从两方面入手：一是合适的锰铁比例能够全面提升LMFP电化学性能。 选择合适的掺杂比例，能够有效结合锰铁两种元素的优势特点，实验表明当锰与铁含量的比例为4:6时，该系列材料的能量密度达到最大值，为557Wh•kg−1。二是纳米化、掺杂、包覆等改性技术改善LMFP材料电化学性能。在传统制造工艺过程中添加改性技术， 提高材料的电化学性质。图表4磷酸锰铁锂产业化难题及解决办法 产业化难题 原因 解决路径 备注 导电性能较差 锰电导电率低，接近绝缘体 小粒径化 小粒径降低压实密度 碳包覆 锰与碳亲和性较低， 锰铁需要充分混合 碳纳米管 成本增加 压实密度低 粒径较小 烧结工艺改善 成本增加 循环性能差 锰电导率低，接近绝缘 体 加锂/富锂材料/锂箔补锂 成本增加 与常规电解液发生副反 应 寻找合适电解液 资料来源：《锂离子电池正极材料原理、性能与生产工艺》，华安证券研究所 未来LMFP应用领域丰富，我们预计到2025年磷酸锰铁锂电池市场需求有望达到 144.13GWh。 1、车用动力电池领域，LMFP纯用复合皆有优势，发展前景广阔。一方面LMFP可替代LFP在动力电池中的使用，另一方面LMFP可作为“稳定剂”，与三元材料复合使用。根据测算，我们预计到2025年，LMFP在车用动力电池领域总需求会达到80.7GWh。 2、两轮电动车领域，高性价比LMFP市场份额快速推进。据测算，2025年全球两轮电动车中LFP占比或达35%，三元或锰酸锂占比达65%，LMFP凭借其更明显的性能和成本优势，逐步替代LFP或与三元复合使用，预计2025年在两轮车领域中需求将达到18.43GWh。 3、储能领域，LMFP比LFP更具能量密度优势。成熟的电力市场、相继出台的利好政策、日益凸显的经济空间都说明储能领域巨大的发展潜力。我们预计在储能领域，到2025年LMFP对LFP替代率为10%，需求将达到45GWh。 2022E 2023E 2024E 2025E 全球动力电池装机量 460.04 676.26 946.76 1306.53 （GWh）LFP占比 30% 33% 36% 40% 动力领域 三元占比 69% 66% 63% 59% LMFP替代LFP 0% 5% 10% 15% LMFP与三元复合 0% 5% 10% 15% 复合材料掺杂比例 20% 20% 20% 20% 图表5全球车用动力电池领域LMFP需求测算 动力LMFP需求011.6735.3780.70 两轮车电池需求量（GWh） 50 67 83 96 LFP占比 25% 28% 30% 35%