磷酸锰铁锂行业深度报告：技术演进行而不辍，产业奇点未来可期
证券研究报告·行业研究·电力设备与新能源行业 技术演进行而不辍，产业奇点未来可期 ——磷酸锰铁锂行业深度报告 电新首席证券分析师：曾朵红执业证书编号：S0600516080001联系邮箱：zengdh@dwzq.com.cn 电动车首席证券分析师：阮巧燕执业证书编号：S0600517120002联系邮箱：ruanqy@dwzq.com.cn 联系电话：021-60199793 2023年8月16日 摘要 锰铁锂兼顾铁锂的安全性和低成本，同时提升能量密度10-20%，有望替代动力铁锂，25年渗透率有望提升至10%+。锰铁锂为升级版的铁锂，通过固溶锰提高电压，从而提升能量密度（最高21%），但会损伤循环和倍率性能，锰铁比例是平衡性能的关键，目前行业主流配比为6/4，未来高锰化是趋势。搭配方式看，锰铁锂可与高镍三元混用，得到兼具安全性和高能量密度的产品，并形成一系列的续航解决方案，但锰铁锂纯用经济性更好，待材料技术成熟后，预计成为长期趋势。我们测算锰铁锂正极成本比铁锂高10%左右，但能量密度提升10-20%，因此理论上电池单Wh成本更低（下降近10%），有望替代动力铁锂和中镍三元，预计率先应用于两轮车和续航700km左右动力车型。我们测算锰铁锂25年渗透率5-10%，电池需求近130GWh，对应正极需求超20万吨，市场规模近150亿元，30年渗透率超30%，电池需求超1500GWh，对应正极需求超260万吨，市场规模超1500亿元。 锰铁锂生产工艺和铁锂类似，液相法/固相法各有优劣，预计呈并行发展路线。锰铁锂导电性差，需进行碳包覆、离子掺杂、纳米化等改性处理，此外高温循环易出现锰溶出，要求原子级混合，对结晶度要求高，产品良率有待提升。生产工艺方面，锰铁锂和铁锂制备方案类似，可采用液相法和固相法路线，其中液相法利于控制元素比例，锰铁更均匀，因此产品一致性、结晶度更好，但压实密度低，单位投资额更高；固相法产量大，单吨投资额更低，压实密度高，但不易控制锰铁均匀度和粒径分布。液相法凭借产品性能优势先行，待固相法工艺逐渐成熟后，预计二者呈并行发展路线。 锰铁锂量产装车在即，产业链加码LMFP赛道。电池端看，宁德时代创新推出M3P电池，搭配麒麟电池主攻700km中端市场，混用8月首发智界S7，纯用预计下半年首发特斯拉，比亚迪较早布局锰铁锂，预计24年上半年装车发布，亿纬/中航/国轩/孚能/星恒/天能等企业已发布锰铁锂产品跟进；正极端看，德方纳米产品一致性好，下半年预计率先放量，容百科技并购斯科兰德，年底预计实现装车，湖南裕能自研高压实LMFP，明年上半年开始放量，天奈科技横向扩拓布局LMFP，当升科技/万润新能/珩创纳米/力泰锂能/创普斯加码布局锰铁锂赛道；锰源端看，湘潭电化和红星发展有充足二氧化锰/高纯硫酸锰产能，有望从锰铁锂对锰源的强劲需求中受益。 投资建议：锰铁锂量产装车在即，预计明年大规模放量，有望大规模渗透动力铁锂和中镍三元领域，我们推荐四条主线：1）看好终端性能提升的电池厂商，推荐宁德时代、比亚迪、亿纬锂能，关注中创新航、国轩高科、孚能科技等；2）看好产业化进程领先的正极厂商，推荐德方纳米、容百科技、湖南裕能、当升科技，关注万润新能；3）看好用量提升的添加剂和导电剂厂商，推荐天赐材料、天奈科技；4）关注上游锰源龙头，关注湘潭电化、红星发展。 风险提示：产业化进程不及预期；下游需求不及预期；成本下降幅度不及预期。 目录 锰铁互溶，提升能量密度，打造升级版磷酸铁锂 工艺技术日益成熟，固/液相法路线并行 量产节点企踵可待，企业加码锰铁锂赛道投资建议及风险提示 磷酸锰铁锂：锰铁互溶，提升能量密度，打造升级版磷酸铁锂 磷酸锰铁锂是磷酸铁锂和磷酸锰锂的固溶体，锰元素提升电压平台，进而提升铁锂体系的能量密度。磷酸锰铁锂（LMFP）保持磷酸铁锂稳定的橄榄石结构，并引入高电压平台的磷酸锰锂（4.1V），从而提升铁锂体系的能量密度。 图：磷酸铁锂和磷酸锰锂结构对比 LMFP LFP 图：磷酸铁锂(LFP)和磷酸锰锂(LMP)性能对比 170 171 LiFePO4LiMnPO4 1.0*10-13 4.1V 1.8*10-9 3.4V 5.1*10-14 1.0*10-10 Mn固溶替换Fe 图：各橄榄石结构材料电压平台对比 5.2V 4.8V 4.3V商业电解液 电压上限 4.1V 3.4V 电压平台（Vvs.Li） 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 4 数据来源：《锂离子电池正极材料磷酸锰锂的合成及性能研究》《磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电化学性能研究》，东吴证券研究所 LiNiPO4LiCoPO4LiMnPO4LiFePO4 克容量mAh/g电压平台V电导率S/cm离子扩散速率cm2/s 优势：电压平台升高，与铁锂相比，能量密度最多提升21% 锰元素电压平台高，固溶后相应提升能量密度。磷酸锰铁锂具有双放电平台，其中磷酸锰锂优先放电，然后磷酸铁锂放电，锰元素比例越高，正极平均电压越高，电池的能量密度和输出功率越高。理论上，锰铁比例6/4性能提升10-15%，锰全部替换时提升21%。 图表：LMFP电压特性及优点 能量密度>LFP 输出功率>LFP 热稳定性>NCM 安全性>NCM 磷酸铁锂加锰提升能量密度 磷酸锰铁锂的电压平台呈现二阶梯形式，分别由3.4V的Fe2+/Fe3+和4.1V的Mn2+/Mn3+构成，平台长度正比于锰铁比例。锰铁 比例直接影响高低电位下的放电容量，锰含量越高，能量密度越高。 锰铁锂充放电曲线 能量密度提升 LMP~4.1V 4.0V 平均电压~3.8V 3.8V 3.6V 平均电压~3.6V 3.4V LFP~3.4V 磷酸铁锂 锰含量逐渐升高 磷酸锰锂 劣势：加锰后晶体结构发生畸变，循环性能与倍率性能变差 磷酸锰铁锂结构稳定性差，电池循环和倍率性能变差。锰铁互溶后，材料会出现晶体结构畸变，电池循环中可能发生锰溶出，与电解液反应，进而影响循环寿命。同时材料电导率、离子扩散系数较差，从而影响倍率性能。使用纳米化等改性手段可基本解决材料电化学问题，但会降低材料压实密度。 结构稳定性降低→锰溶出 动力学特性恶化→倍率差 工艺要求高→压实密度低 磷酸铁锂加锰恶化电池性能。 1）磷酸锰锂材料的电导率和离子扩散系数均比磷酸铁锂小1-2个数量级，因此锰铁 锂中锰含量越高，越表现出磷酸锰锂特征，动力学性能越差，快充性能差。 2）姜泰勒变形：锰原子替换造成晶体结构畸变，在充放电时不能保持原有形态，进一步会导致锰溶出现象，表现为锰铁锂的高温循环寿命较铁锂会有明显衰减。 磷酸铁锂加锰增加了工艺要求。 1）磷酸锰铁锂中铁锰要求原子级别的溶合，因此要求前驱体层级实现高均匀度的原料混合，否则会由于物相不纯、杂质生成导致良率极低，因此工艺要求高于铁锂。2）磷酸锰铁锂的材料特性决定其压实密度低于铁锂，液相法有利于均匀混合但压实密度更低。压实密度低会导致体积能量密度减小和孔隙增多内阻增大。 工艺设备问题 材料体系问题 图表：LMFP特性及缺点 配比趋势：锰铁比例是决定材料性能的关键，长期演进高锰化 4.0-4.1V 锰含量越高，能量密度提升越大，但会出现容量降低和循环寿命衰减。锰铁比例在行业中尚无统一最优标准，长期看高锰比例是演进趋势，但工艺挑战巨大，目前行业主流配比为锰铁比6/4的LMFP，综合性能表现较好。 图表：不同锰铁比例的性能对比推测 LMP=4.1V 3.9-4.0V Mn>0.8 3.8-3.9V Mn=0.7-0.8 锰溶出问题严重， 3.4-3.8V 激进方案性能进阶 动力学特性较差， 7 数据来源：《磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电化学性能研究》，东吴证券研究所 LFP=3.4V *电压指正极理论电压平台，由锰和铁电压平台按照含量比例加权得到 Mn<0.6 无显著性能提升 Mn=0.6-0.7 主流工艺节点 材料问题克服，解决工艺良率中克容量或略低于铁锂，电压提升后能量密度较LFP提升10-15% 尚存材料/量产问题 电压平台提升， 能量密度更进一步 应用难度巨大 8 数据来源：《磷酸锰铁锂复合三元体系及对复合方式的研究》，高工锂电GGII，东吴证券研究所 性能：能量密度/低温性能优于铁锂，安全性/经济性胜过三元 锰铁锂对比铁锂 优势：能量密度提升，低温性能改善，安全性基本持平； 劣势：压实密度略低，常温循环略差，高温循环易锰溶出衰减明显。 锰铁锂对比三元 优势：安全性能提升，成本显著降低，理论循环寿命更长； 劣势：能量密度、低温性能、倍率性能不及三元。 表：LMFP、LFP、NCM性能比较 项目 磷酸锰铁锂（LMFP) 磷酸铁锂（LFP） 三元（NCM） 晶体结构 橄榄石 橄榄石 层状 0.1C克容量（mAh/g) 140-158 155-160 150-220 1C克容量（mAh/g) 135-145 142-145 150-215 标称电压（V） 3.2-3.9 3.2 3.7 1C循环（次） 2000-2500 4000-10000 1000-3000 电池能量密度（Wh/kg） 160-240 150-210 200-320 压实密度（g/cm³） 2.3-2.4 2.2-2.6 3.4-3.7 低温性能 一般 较差 较好 高温性能 较好 较好 一般 安全性 好 好 差 成本 较低 低 高 路线：混用为目前主流路线，纯用经济性更优，预计成为长期趋势 锰铁锂电压与三元匹配，可复合提供新材料方案。锰铁锂电压与高镍三元匹配，复合后可得到兼具安全性与高能量密度的产品，并可以形成一系列方案灵活适用终端需求，目前宁德时代混用方案已上车奇瑞智界S7车型。 纯用经济性更好，预计成为长期趋势。纯用路线短期先面向海外客户和高端铁锂车型放量，随着技术持续突破，能量密度升高带来的经济性优势将逐渐体现，有望全面替代动力铁锂场景。 技术路线 应用难度 能量密度 正极成本 应用场景 高镍三元：高端车型（续航里程1000km），为了实现续航性能只能选择高镍体系，具有产品和技术溢价 纯用锰铁锂 海外车企优先偏好纯用 加工性能差，存在锰溶出/工艺一致性问题 180-230Wh/kg~0.2元/Wh 短期面向海外和高端铁锂车型，低温性能改善+能量密度提升； 长期成为主流，逐渐体现经济性优势后替代动力铁锂车型； 复合三元 国内车企优先考虑混用 技术难度低材料问题易控制 230-250Wh/kg0.2-0.3元/Wh短期优先放量，弥补纯用方案早期的加工、成本、材料问题 长期作为差异化方案，满足下游车企对细分领域的特定需求 图表：复合三元产品性能及定位表：纯用锰铁锂/复合三元技术路线分析 250+ Wh/kg 9 数据来源：《磷酸锰铁锂复合三元体系及对复合方式的研究》、振华新材招股说明书，容百科技招股书，东吴证券研究所 电芯能量密度 纯用锰铁锂：中端车型（续航里程700km），考虑经济性和续航的综合性价比，从铁锂切向锰铁锂 180-230 Wh/kg 高镍含量更高 复合三元能量密度再提升，填补高镍三元与纯用锰铁锂间性能断层，为客户提供更多细分差异化选择。 可取代低电压中镍产品，锰铁锂与高镍掺混产品较低电压中镍方案有经济性和安全性优势。 锰铁锂+三元复合 锰铁锂含量更高 经济性：能量密度提升10-20%，正极成本高于铁锂10% 磷酸锰铁锂原材料成本略高于铁锂。锰铁锂需用到锰源代替铁源（Mn1.4万/吨对比Fe0.4万/吨），且添加剂种类更多，原材料成本增厚5%左右。 铁锰需要原子级别混合，工艺要求增加导致加工成本上升。我们推测锰铁锂加工成本较铁锂高10%，正极材料价格为10万元/吨左右（碳酸锂25万/吨），较铁锂整体溢价约10%。 表：LMFP正极原材料成本测算
