电力设备行业新能源电池新技术系列专题一：磷酸锰铁锂，突破LFP能量密度瓶颈，放量加速正当时

证磷酸锰铁锂：突破LFP能量密度瓶颈， 研 券放量加速正当时 究——新能源电池新技术系列专题一 报 告增持（维持）主要观点 磷酸锰铁锂具有高能量密度优势，而磷酸铁锂能量密度已接近上限， 行业:电力设备 磷酸锰铁锂迎来产业化契机。磷酸锰铁锂的能量密度、低温性能优于 日期: 2023年10月26日 磷酸铁锂，安全性与磷酸铁锂近似，远期生产成本不高于磷酸铁锂，较三元材料成本优势显著。我们认为，当前磷酸铁锂能量密度接近上 分析师:丁亚 Tel:021-53686149 E-mail:dingya@shzq.comSAC编号:S0870521110002 联系人:刘昊楠 Tel:021-53686194 E-mail:liuhaonan@shzq.comSAC编号:S0870122080001 最近一年行业指数与沪深300比较 电力设备沪深300 % 10/2201/2303/2305/2308/2310/23 业 行16% 10% 专 4 -2% 题-7% -13% -19% -24% -30% 限，磷酸锰铁锂作为更高能量密度的铁锂路线，产业化迎来契机。此前磷酸锰铁锂未能产业化的原因：1）电导率、锂离子扩散速率低，倍率性能差；2）掺锰比例高时，出现姜泰勒效应，导致锰溶出，影响循环寿命和稳定性；3）压实密度小，影响能量密度；4）双电压平台。 改性技术逐渐成熟，助推产业化发展，多种工艺路径同步探索。主要改性技术包括纳米化、碳包覆、离子掺杂，以上技术能够有效改善材料的导电性，碳包覆、离子掺杂还能通过抑制锰溶出，提升材料循环稳定性；此外，磷酸锰铁锂与三元复用也能提升材料的综合性能，创造性能互补的多元化产品系列。从生产工艺看，可分为火法、湿法两类，其中火法工艺难度低，产量高，适合大批量工业化量产；湿法工艺难度高，产品性能相对较好。当前头部厂商技术积累深厚，火法、湿法工艺各有选择，也有部分厂商选择固液一体化工艺。 循序扩张下游应用场景，动力领域有望加速放量。磷酸锰铁锂在小动力市场和3C数码市场已具备一定规模，未来有望先在动力电池领域加速放量。根据德方纳米、容百科技的公告，两家公司都预计磷酸锰铁锂产品有望在2023年实现在下游新能源汽车上的批量应用。根据我们的测算，预计2023~2025年全球磷酸锰铁锂正极在动力领域的需求量分别为3.7万吨、15.7万吨、35.2万吨，2023~2025年CAGR为 207%。 相关报告： 《9月新能源车销量增长，碳酸锂价格触底反弹》 ——2023年10月20日 《成长与分化持续，新技术不断前行》 ——2023年10月19日 《23H1材料环节业绩下滑，电池环节强者恒强》 ——2023年10月17日 行业内企业加速产能布局，产业上下游协同推进产业化进程。截至 2023年8月，据不完全统计，磷酸锰铁锂行业现有产能35.82万吨， 在建产能91.00万吨，远期规划新建产能117.18万吨，产能规划前四厂商分别为德方纳米、当升科技、湖南裕能、容百科技，前四企业远期总产能规模占全行业的68%。从产业化进展看，新能源车环节，宁德时代M3P电池登陆智界S7、星途的部分车型，后续Model3改款车型也有望搭载M3P电池；电池环节，当前已有多家厂商推出磷酸锰铁锂电池产品，包括宁德时代M3P电池，星恒电源金砖电池，国轩高科L600启晨电池等；正极材料（动力电池用）环节，德方纳米进度相对领先，已获得小批量订单。 投资建议 电池环节建议关注宁德时代，公司M3P电池确定登陆智界S7、星途部分车型，且后续Model3改款有望搭载M3P电池；建议关注国轩高科，公司2023年5月推出L600启晨电池，电池包系统能量密度达190Wh/kg，可实现续航1000km，计划于2024年量产。 正极材料环节建议关注德方纳米，公司磷酸锰铁锂技术储备深厚，产 行业专题 品主攻动力电池，纯用/混用方案均已通过客户验证，目前已实现小批量订单销售，产业化进度领先；建议关注容百科技，公司2022年7月推出四款与高镍三元混用的磷酸锰铁锂产品，目前公司在与新能源汽车头部企业合作进行新车型开发，公司磷酸锰铁锂产品处车上检验阶段；建议关注力泰锂能，公司2023年1月成为宁德时代全资子公司， 公司现有年产2000吨磷酸锰铁锂生产线，计划新建年产3000吨磷酸锰铁锂产线。 风险提示 产品验证进度不及预期，技术路线更迭，下游需求不及预期 目录 1过去：高能量密度铁锂路线，倍率及循环性能缺陷阻碍产业化.5 1.1什么是磷酸锰铁锂？5 1.2为什么选择磷酸锰铁锂？6 1.3为什么此前未能顺利产业化？7 2现在：改性技术逐渐成熟，各工艺路线同步发展9 2.1改性技术是关键，助推产业化发展加速9 2.2多种工艺路线同步发展，头部厂商技术积累深厚12 3未来：循序扩张下游应用场景，先动力后储能13 3.1动力领域有望加速放量，后续渗透储能领域13 3.2预计2025年全球磷酸锰铁锂正极材料动力领域需求量为 35.8万吨14 4行业内企业加速产能布局，头部正极厂产业化进度较快15 4.1行业产能布局较快，前四企业产能规划占比近七成15 4.2上下游协同，积极推进磷酸锰铁锂产业化进程17 5投资建议：19 6风险提示：19 图 图1：磷酸锰铁锂结构示意图5 图2：磷酸铁锂结构示意图5 图3：2023H1国内磷酸铁锂电池装机量达103.93GWh，占动力电池总装机量比例达68%5 图4：2019~2021磷酸铁锂最大能量密度稳定在161Wh/kg 附近5 图5：相较三元材料的层状结构，LMFP的橄榄石晶体结构限制了锂离子的扩散运动7 图6：高温固相法（未使用碳包覆）掺锰量越高，容量越低.8 图7：水热法（使用碳包覆）掺锰量越高，容量越低8 图8：主要正极材料压实密度性能对比（单位：g/cm3）9 图9：磷酸锰铁锂体系中铁和锰放电电压存在较大差别9 图10：部分工艺路线的工艺流程12 图11：磷酸锰铁锂电池在小动力&3C数码领域已有产品落地，未来有望在动力领域率先放量14 图12：磷酸锰铁锂行业现有产能35.82万吨，在建产能 91.00万吨16 图13：德方纳米、当升科技、湖南裕能、容百科技磷酸锰铁锂产能布局规模领先16 表 表1：三元材料、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂各项性能指标对比.6 表2：三元、LFP、LMFP导电性能对比7 表3：掺锰量越高，放电电压越高，但超过一定比例后放电比容量加速降低，导致能量密度不增反减8 表4：相较大粒径，小粒径LMFP与三元材料复用后内阻更低，容量更高10 表5：LMFP/C材料的部分研究进展10 表6：离子掺杂的部分研究进展11 表7：LMFP+三元混用能使材料兼具高能量密度、高功率、高安全性等优势11 表8：各工艺路线优缺点对比12 表9：2023~2025年全球磷酸锰铁锂正极在动力领域的需求量预测14 表10：各公司未来磷酸锰铁锂产能投放规划（年末产能，单位：万吨）16 表11：磷酸锰铁锂产业链发展17 表12：相关标的业绩预测及估值19 1过去：高能量密度铁锂路线，倍率及循环性能缺陷阻碍产业化 1.1什么是磷酸锰铁锂？ 磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂的基础上掺杂一定锰元素形成的新型正极材料。由于锰与铁元素的离子半径及部分化学性质相近，所以结构上磷酸锰铁锂与磷酸铁锂相近，均为橄榄石型结构。从能量密度角度看，磷酸锰铁锂优于磷酸铁锂，因而被视为“升级版磷酸铁锂”。 图1：磷酸锰铁锂结构示意图图2：磷酸铁锂结构示意图 资料来源：元能科技官网，上海证券研究所资料来源：元能科技官网，上海证券研究所 磷酸锰铁锂可突破磷酸铁锂能量密度瓶颈。磷酸铁锂电池虽为动力电池主流，但其能量密度已接近瓶颈，根据上海钢联统计的工信部《新能源汽车推广应用推荐车型目录》披露的数据显示，2019~2021磷酸铁锂最大能量密度已稳定在161~164Wh/kg左右。我们认为，磷酸锰铁锂作为更高能量密度的磷酸盐系材料，其应 用有助于突破磷酸铁锂的能量密度瓶颈，因此迎来产业化契机。 图3：2023H1国内磷酸铁锂电池装机量达 103.93GWh，占动力电池总装机量比例达68% 图4：2019~2021磷酸铁锂最大能量密度稳定在 161Wh/kg附近 350 300 250 200 150 100 50 0 磷酸铁锂三元其他 20192020202120222023H1 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 磷酸铁锂最大能量密度（Wh/kg） 20142015201620172018201920202021 资料来源：同花顺iFinD，上海证券研究所资料来源：工信部，上海钢联，上海证券研究所 1.2为什么选择磷酸锰铁锂？ 磷酸锰铁锂在能量密度，安全性，低温性能及成本方面具备优势。 表1：三元材料、磷酸铁锂、磷酸锰铁锂各项性能指标对比 类型 镍钴锰酸锂 (NCM) 磷酸铁锂(LFP) 磷酸锰铁锂 (LMFP) 化学式 Li(NixCoyMnz)O2 LiFePO4 LiMn(1-x)FexPO4 晶体结构 层状结构 橄榄石 橄榄石 比容量(mAh/g) 150~220 130~140 130~140 电压范围 3.4-3.8 3.4 4.1 能量密度(Wh/kg) 180~300 100~200 高于LFP 循环寿命（次) 800~2000 2000~6000 2000~3000 低温性能 好 较差 优于LFP 高温性能 一般 好 优于三元 安全性 一般 好 好 材料成本 较高 低 低 资料来源：储能前沿，上海证券研究所 能量密度：三元（高镍）＞磷酸锰铁锂＞磷酸铁锂 锰元素具有电压高的优点，磷酸锰铁锂通过在磷酸铁锂基础上掺杂锰，将电压平台由3.4V提升至4.1V，高电压进而带来高能量密度。据德方纳米，磷酸锰铁锂能量密度较磷酸铁锂提升15%~20%，磷酸铁锂能量密度目前已接近上限。据国轩高科国际业务执行总裁程骞博士，磷酸锰铁锂能量密度能达到三元523，甚至三元622的水平，较磷酸铁锂优势显著。 安全性：磷酸铁锂≈磷酸锰铁锂＞三元 磷酸锰铁锂晶体具有六方密堆结构，这种结构最大的优势是稳定性好，即使在充电过程中锂离子全部脱出，也不会存在结构崩塌的问题。同时，材料中P原子通过P-O强共价键形成PO4四面体，O原子很难从结构中脱出，因此材料具有非常高的安全性和稳定性。 低温性能：三元＞磷酸锰铁锂＞磷酸铁锂 据财博汇，德方纳米各类纳米磷酸铁锂在-20℃下容量保持率约为67%，而磷酸锰铁锂可以保持在71%，与质量占比15%的三元材料混合时，保持率可达74%。 生产成本：三元＞磷酸铁锂≥磷酸锰铁锂 据国轩高科程骞博士，从材料端看，锰元素不属于稀缺资源，全球锰矿储量丰富，因此在大量生产情况下，磷酸锰铁锂与磷酸铁锂成本几乎相同。据容百科技22年7月投资者关系活动记录，锰铁锂制造成本比铁锂贵约10%，但锰铁锂能量密度可以提升 15%，后续通过技术及原料升级，未来制造成本会比磷酸铁锂低至少10%。综上，远期磷酸锰铁锂生产成本至少不高于磷酸铁锂。 此外，据德方纳米，磷酸锰铁锂产线可用于生产磷酸铁锂，现有磷酸铁锂产线进行改造后可以生产磷酸锰铁锂。产线兼容增强了生产弹性，提高产能利用率，同时有助于降低磷酸铁锂厂商的设备投入。 1.3为什么此前未能顺利产业化？ 磷酸锰铁锂在倍率性能、循环性能等方面存在缺陷，阻碍产业化推进。 电导率、锂离子扩散速率低，倍率性能较差。1）晶体结构：磷酸锰铁锂的六方密堆结构虽然安全稳定，但由于材料中没有连续的FeO6（MnO6）共棱八面体网络，而是通过PO4四面体连接，因此无法像钴酸锂材料那样形成连续的Co-O-Co结构，材料导电性很差，大电流放电性能差。而且这些多面体形成相互连接的三维结构，限制了锂离子在一维通道中的运动。2）金属性质：锰元素导电性相对较弱。由于以上原因，根据《磷酸锰铁锂复合三元体系及对复合方式的研究》（贺志龙等著），电子在磷酸锰铁锂中的跃迁能