磷酸锰铁锂：渗透700km续航动力领域，产业化有望加速

行业报告|行业深度研究 电力设备 证券研究报告 2023年02月18日 磷酸锰铁锂：渗透700km续航动力领域，产业化有望加速 作者： 分析师孙潇雅SAC执业证书编号：S1110520080009 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 磷酸锰铁锂在2022年下半年仿佛按下“快进键”，电池、正极材料新品接连发布。电池端，中创新航8月发布One-Stop高锰铁锂电池，支持整车续航超过700km。正极材料端，当升科技、容百科技在7月发布LMFP新产品。德方纳米在9月11万吨磷酸锰铁锂产能正式投产。 1、LMFP提升哪些性能？ 1）与铁锂相比：高电压，提高能量密度，低温性能提升。LFP、LMFP理论比容量都为170mAh/g，但LMFP理论电压平台达4.1V，高出LFP约20%，其能量密度相较LFP提升15%，提供更长续航里程。LMFP低温性能更优，-20℃下LMFP容量保持率达76%左右，而LFP为60-70%。 2）与三元相比：提高安全性。LFP、LMFP都为橄榄石形结构，相比三元电池的层状氧化结构更稳定，相比三元电池安全性更高。天津斯科兰德公司通过实验证明在NCM523材料中混入20%LMFP的复合材料电池在针刺实验中不燃烧、不爆炸，安全性能大幅提升。 磷酸锰铁锂具有电压高、安全性高等优点，但存在导电率差、循环次数较低问题，限制部分应用场景。我们认为LMFP适用于两轮车&动力电池，可纯用或与三元材料掺杂。 2、经济性如何？市场空间多大？ 1）纯用LMFP：LMFP主要增加成本为锰，预计成本增加为5-10%，而能量密度提升15-20%。假设锰铁比6：4，掺锰后成本增加约3850元/吨。我们预计LMFP正极能量密度提升15-20%，成本提升5-10%，性能提升>成本提升，并有望在电池环节降低单wh成本。 2）三元：LFP电池能量密度约150wh/kg，若LMFP电池能量密度提升10%，达到165wh/kg，与NCM523能量密度接近，而价格端更具优势。若 LMFP电池能量密度提高15%，达172.5wh/kg，与NCM622电池175wh/kg接近。与高镍三元掺杂，LMFP比例越高成本下降越明显。 行业空间：1）两轮车：我们预计2022、2025年国内电动两轮车销量分别为5987、6257万辆，锂电渗透率分别为15%、30%，锂电两轮车产量分别为898、1877万辆。假设2022、2025年单车带电量1、1.2kwh，锂电需求分别为9.4、22.7GWh。目前磷酸锰铁锂电池已在两轮车上应用，我们预计2022、2025年LMFP渗透率5%、30%，LMFP电池装机0.5、6.8GWh，LMFP正极需求0.1、1.5万吨。 2）电动车：我们预计2025年25万以下车型销量占比约75%（这部分为LMFP潜在可替代空间），全球动力电池产量1356Gwh，75%占比对应 1017Gwh，考虑25万以下车型带电量较低（乘以系数0.8），对应纯用LMFP潜在锂电需求814Gwh。假设2025年LMFP渗透率20%，对应LMFP电池需求163GWh，LMFP正极35.8万吨。b)掺杂磷酸锰铁锂：我们预计2025年25-30万车型销量占比约5%，假设这部分LMFP与三元电池进行掺杂。若2025年掺杂LMFP的锂电池比例30%，对应掺杂LMFP锂电池需求20GWh，在此基础上假设掺杂LMFP比例50%，对应LMFP正极2.2万吨。 结合电动两轮车、电动车，我们预计2022、2025年磷酸锰铁锂正极需求1、39.5万吨，从0到1快速渗透。 3、工艺路径：液相法VS固相法 电池企业、正极企业均有LMFP专利储备，正极企业大多沿用原有正极产品工艺路径生产LMFP。无论液相法或固相法，LMFP与LFP工艺 流程类似，主要差别在原材料锰源。 液相法：优势为1）混合均匀，反应更充分；2）颗粒表面光滑、圆润度好、分散性好；3）液相法更利于做出小粒径材料，有利于锂离子扩散，改善倍率性能，进而提升其电化学性能。缺点为1）引入硝酸根离子，需要脱硝酸且有一定环保压力；2）缩小粒径降低了压实密度。3）粒径过小比表面积大，使用大量粘结剂增加成本。 固相法：优势为1）工艺简单，过程易控，适合工业大规模生产。2）压实密度高：比较动力领域产品，固相法的裕能、万润产品压实密度高于德方纳米。缺点为1）铁源、锰源混合不均匀：受限于铁源和锰源原本的颗粒大小，无法使二者实现原子级别和混合，且掺杂元素也不易进入颗粒内部，导致产品电化学性能不佳。2）研磨过程产生氧化铁，影响能量密度。 从LFP到LMFP，液相法和固相法在动力产品的性能差距或缩小。液相法混合更均匀压实密度改善，弥补因粒径较小带来的压实问题。而固相法由于受限于铁源和锰源原本的颗粒大小，混合不均导致产品电化学性能不佳，液相法和固相法在产品品质上的差距或缩小。 从性能角度看，我们认为固相法、液相法均有方法解决磷酸锰铁锂电导率差、压实密度低、循环次数差等瓶颈。主要看各家技术突破，率先 解决的企业有望在新技术迭代周期中获得先发优势。 4、成本端：液相法VS固相法 液相法工业级碳酸锂就可满足，而固相法需要电池级碳酸锂，锂价高位时液相法材料成本优势明显；能耗方面，液相法能耗较低，能耗成本 低于固相法；环保方面，液相法引入硝酸根离子，环保成本高于固相法。碳酸锂耗量：液相法具有优势，固相法不断改善。 我们认为：当碳酸锂价格高企时，液相法具有工业级碳酸锂优势，成本端或更具竞争优势。如2022年11月7日工业级碳酸锂54.5万/吨，电池级碳酸锂57万/吨，若1吨磷酸铁锂消耗碳酸锂234kg，工业级碳酸锂成本低于电池级碳酸锂约5850元/吨。若碳酸锂价格处于较低水平，固相法、液相法成本或不相上下，主要看各企业工艺积累。 此外，由于资源端碳酸锂、磷矿、锰矿等占比较大，资源端布局带来的成本优势或大于固相法/液相法路径选择的成本差异。 5、投资建议 德方纳米：2022年5月申请的专利看，锰溶出问题有望通过包覆、掺杂金属，以及添加络合剂大幅改善。德方纳米LMFP产能布局远远快于其它企业。目前已投产的LMFP正极产能主要有：德方纳米11万吨+斯科兰德6200吨+力泰锂能2000吨+中贝1万吨，德方纳米LMFP正极投产规模最大，并规划2025年底LMFP正极产能达44万吨。LFP主攻储能、LFMP主攻动力，补锂剂进一步提升产品性能。 在LMFP从0到1，渗透率快速提升阶段，电池、正极、锰矿企业均有望受益。率先布局LMFP的电池、正极企业能获取先发优势，在产品端获得一定溢价，并带来超额利润。力泰锂能2020年、2021H1磷酸锰铁锂售价都为6万/吨，而德方纳米2020年、2021H1磷酸铁锂售价分别为3、4万/吨，磷酸锰铁锂正极溢价显著。此外，LMFP与LFP相比，主要增加的成本在于锰矿，因此锰矿企业也受益于LMFP渗透率提升。建议关注： 电池企业：宁德时代、中创新航、天能股份、国轩高科等 正极企业：德方纳米、容百科技（和化工组联合覆盖）、当升科技、光华科技等 锰矿企业：红星发展、湘潭电化等 风险提示：磷酸锰铁锂需求量不及预期、原材料价格大幅上涨产品成本高企、磷酸锰铁锂大幅扩产行业竞争加剧、测算具有一定的主观性。 1、引言 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明5 资料来源：各公司官网/公众号，电池中国，维科网，天风证券研究所 6 LMFP产品、产能准备就绪，产业化有望加速 磷酸锰铁锂在2022年下半年仿佛按下“快进键”，电池、正极材料新品接连发布。电池端，中创新航8月发布One-Stop高锰铁锂电池，支持整车续航超过700km。正极材料端，当升科技在7月发布磷酸锰铁锂材料产品——LMFP-6M1，为磷酸锰铁锂单独使用；容百科技在2022年7月发布四款磷酸锰铁锂产品，均与高镍三元混掺使用，磷酸锰铁锂材料混合比例从5%~95%不等。在LMFP产能 方面，德方纳米新型磷酸盐系正极材料生产基地项目有11万吨磷酸锰铁锂产能，在9月开始投产。 LMFP产品、产能准备就绪，产业化有望加速，但市场对LMFP市场空间、工艺路径选择仍有分歧。本篇报告聚焦几大问题： LMFP提升哪些性能？ 经济性如何？市场空间多大？ 工艺路径：液相法VS固相法，哪个更好？ 2、LMFP提升哪些性能？ 1）与铁锂相比：高电压，提高能量密度 2）与三元相比：提高安全性 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明7 LMFP在LFP基础上添加锰，随电导性、循环寿命等短板逐步解决产业化有望加速 磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂基础上添加锰元素，获得的新型正极材料。在磷酸铁锂基础上引入锰元素，锰的高压特性能够获得比磷酸铁 锂更高的电压平台，可打破目前磷酸铁锂的能量密度，并且有更好的低温性能。 刀片、CTP等结构进步快于材料体系，2019-2021年铁锂装机占比不断提升。2019年以来，CTP、刀片电池等结构上的技术进步使得磷酸铁锂的系统集成效率、能量密度有所提升，加之2021年以来三元电池上游原材料大幅上涨，磷酸铁锂电池装机大幅提升。2019-2021年，磷酸铁锂在中国动力电池装机占比分别为33%、41%、52%，占比不断提升。若单看2021年，磷酸铁锂装车量在7月达到5.8GWh，开始超过三元装车5.5GWh。 材料体系进步有望进一步提升能量密度。比亚迪在2013年就曾申请过相关专利，并在2015年连续申请多项磷酸锰铁锂专利，但由于锰铁锂存在电导性、循环寿命等短板，商业化进程缓慢。随着锰铁锂短板逐渐解决，锰铁锂产业化有望进一步加速。 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 图：2018-2021年中国动力电池各类电池装机占比（%） 图：2021年三元/铁锂电池装车量（GWh) 11.6 9.5 9.2 8.4 7 5.4 5.1 3.9 5.2 5.2 4.5 5.9 5.1 5.8 5.5 7.2 6.1 5.3 3.3 3.3 2.2 3.2 16 14 12 10 8 6 4 2 0 15.1 11.1 1% 58% 41% 33% 39% 65% 2% 58% 3% 0% 48% 52% 0% 2018201920202021 磷酸铁锂电池三元电池其他 1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月磷酸铁锂电池三元电池 磷酸锰铁锂理论电压达4.1V，高出磷酸铁锂20%，带来能量密度提升。从结构来看，磷酸锰铁锂和磷酸铁锂类似，都为橄榄石结构。 橄榄石结构限制了锂离子的扩散，使得电导率较低，在大倍率放电时极化较大。能量密度=克容量*电压，LFP、LMFP理论比容量都为170mAh/g，但LMFP理论电压平台达4.1V，而LFP为3.4V，LMFP电压平台高出LFP约20%，其能量密度相较于LFP提升15%，能为电动车提供更长的续航里程。 磷酸锰铁锂相较于磷酸铁锂具有低温性能优势。在-20℃下，LMFP容量保持率达75%左右，而LFP为60-70%，LMFP低温性能更好。天能生产的磷酸锰铁锂18650电池已成功应用在小牛新款F0系列电动自行车中，低温性能提升超过25%。 表：磷酸铁锂、磷酸锰铁锂结构表：LFP、LMFP电池材料对比 相比三元电池，磷酸锰铁锂电池安全性更高。LFP、LMFP都为橄榄石形结构，相比三元电池的层状氧化结构更稳定。磷酸铁锂主体结构为PO4，其键能远高于三元材料的M-O键能。满电态的磷酸铁锂热分解温度为700℃左右，而三元材料分解温度为200-300℃。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂结构相似，相比三元电池安全性更高。 与三元电池掺杂，磷酸锰铁锂可整体提高电池安全性。磷酸锰铁锂相较于三元锂材料安全性能更好，天津斯科兰德公司通过实验证明在NCM523材料中混入20%LMFP做成的复合材料电池在针刺实验中不燃烧、不爆炸，温度在70°