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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

有色金属2023-08-16曾朵红、阮巧燕东吴证券x***
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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