特斯拉為動(dòng)力電池爆“錳”料 電池材料“圖譜”不斷擴(kuò)大

3月22日，在特斯拉柏林工廠交付第一批Model Y后，該公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬斯克表示：“我認(rèn)為，錳具有潛力。”

馬斯克的一言一行，都暗藏特斯拉的新動(dòng)向，而特斯拉又被視為新能源汽車與動(dòng)力電池發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”。于是，在馬斯克透露出對(duì)動(dòng)力電池錳基陰極材料的興趣后，行業(yè)掀起了一輪熱議。

特斯拉為何看中錳基電池

記者了解到，特斯拉一直進(jìn)行著在動(dòng)力電池中采用更多錳元素的探索。2020年特斯拉電池日上，馬斯克就曾表示：“用三分之二的鎳和三分之一的錳做陰極更加簡(jiǎn)單，可以使我們?cè)谑褂孟嗤瑪?shù)量鎳的情況下，多生產(chǎn)50%以上的電池容量。”

事實(shí)上，對(duì)于動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展，特斯拉一直非常有自己的想法。馬斯克認(rèn)為，目前動(dòng)力電池都是采用磷酸鐵鋰為第一選擇，但特斯拉打算陰極使用以錳作為基礎(chǔ)的化學(xué)物質(zhì)。

今年1月，馬斯克在推特上發(fā)文稱，錳元素將替代正極材料中的鐵和磷，并推動(dòng)陰極生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)入到TWh時(shí)代;由于需要在高電壓下工作，這樣的錳基電池還需少量的鋰。

特斯拉為何開始圍繞錳基電池頻繁釋放信號(hào)?這與其對(duì)動(dòng)力電池供應(yīng)鏈及上游原材料的關(guān)注不無(wú)關(guān)系。錳元素的礦產(chǎn)資源豐富，錳系鋰電池相對(duì)磷酸鐵鋰或三元鋰電池等成本更低。動(dòng)力電池采用錳元素有利于降低成本，也可減少對(duì)鎳等稀有金屬的依賴。

行業(yè)人士指出，錳系電池是被忽略的高性價(jià)比產(chǎn)品。比如，錳酸鋰電池具有高安全性、優(yōu)越的低溫和倍率放電性能，通過(guò)混合一定比例的三元NCM后，可提高能量密度并改善性能;但缺點(diǎn)也比較明顯，材料本身不穩(wěn)定，需配以其他材料混合使用、高溫性能差、循環(huán)性能差、衰減快。

“錳酸鋰電池比磷酸鐵鋰電池性價(jià)比更高，是替代鉛酸電池的產(chǎn)品之一，缺點(diǎn)是能量密度較低，壽命相對(duì)也短一些。”一位不愿具名的動(dòng)力電池研發(fā)人員說(shuō)，錳酸鋰電池的電壓較高，意味著電池PACK可以使用較少的電芯，體積優(yōu)勢(shì)明顯，電池PACK的成本明顯低于三元鋰電池。

不過(guò)，錳基電池的未來(lái)究竟如何，可不是馬斯克輕飄飄的一句表態(tài)就能決定的。“目前來(lái)看，馬斯克的言論沒(méi)有更多的實(shí)際意義，因?yàn)橥饨绮涣私忮i基電池更具體的配方和性能。不排除特斯拉在提前炒作相關(guān)概念，以此利好資本市場(chǎng)的可能。畢竟，距離特斯拉發(fā)布的4680電池已有兩年時(shí)間，但仍不見其大規(guī)模量產(chǎn)。”江西新能源科技職業(yè)學(xué)院新能源汽車技術(shù)研究院院長(zhǎng)張翔說(shuō)。

電池材料“圖譜”不斷擴(kuò)大

如今，動(dòng)力電池的電化學(xué)體系以正極為核心進(jìn)行升級(jí)，而錳基正極材料在能量密度、原料供應(yīng)、成本上具備一定的優(yōu)勢(shì)。中信證券的最新研究報(bào)告指出，隨著新型錳基正極材料滲透率提升，2021～2035年，鋰電池用錳量將增超10倍。

新能源與智能網(wǎng)聯(lián)獨(dú)立研究者曹廣平認(rèn)為，錳基電池基本上可以分為錳酸鋰、磷酸錳鐵鋰和富鋰錳基三條路線。“目前，錳酸鋰電池稍落后，富鋰錳基電池稍超前，磷酸錳鐵鋰電池正當(dāng)時(shí)，有進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)，其在一定程度上彌補(bǔ)了磷酸鐵鋰電池能量密度稍低的缺點(diǎn)，安全性也很好，而且成本比含鈷的電池低。”他介紹道。

據(jù)悉，磷酸錳鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)化已開始逐漸加速。東吳證券分析師曾朵紅預(yù)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)有望在2023年上半年大規(guī)模量產(chǎn)。此外，鎳錳酸鋰作為一種高電壓正極材料，主要由鎳元素和錳元素組成，不含鈷元素，較為環(huán)保，成本也更低。與具有成本優(yōu)勢(shì)的磷酸鐵鋰電池相比，鎳錳酸鋰電池單體及系統(tǒng)的能量密度可提升40%，成本可降低30%，是具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的下一代動(dòng)力電池關(guān)鍵材料。

近日，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)EVTank聯(lián)合伊維經(jīng)濟(jì)研究院共同發(fā)布《中國(guó)錳酸鋰正極材料行業(yè)發(fā)展白皮書(2022年)》。來(lái)自白皮書的數(shù)據(jù)顯示，2021年，中國(guó)錳酸鋰正極材料出貨量11萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)32.5%。

EVTank方面指出，錳酸鋰材料摻雜三元等其他材料的混合使用，仍將是企業(yè)選擇的技術(shù)路線之一。更重要的是，新型錳基材料(包括磷酸鐵錳鋰、高電壓鎳錳酸鋰和富鋰錳基等)體系逐步進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段。

與此同時(shí)，鈉離子電池也開始走到前臺(tái)。寧德時(shí)代、中科海鈉、松下、豐田等企業(yè)紛紛進(jìn)行鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化探索。鈉離子電池在資源豐富度、成本方面優(yōu)勢(shì)明顯，未來(lái)幾年隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，有望在一些細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

另?yè)?jù)了解，鎂也是一種潛在的動(dòng)力電池材料。阿貢化學(xué)家Brian Ingram指出，鎂離子的理論能量密度與鋰離子電池相當(dāng)，有可能實(shí)現(xiàn)比鋰更高的能量密度。鎂元素也是比鋰元素的資源豐富，有助于建立更穩(wěn)定的供應(yīng)鏈。此外，鈣也具有很多優(yōu)勢(shì)，初步研究證明鈣是更具有移動(dòng)性的離子。

“動(dòng)力電池正極材料多元化發(fā)展，體現(xiàn)為靈活材料的組合技術(shù)，即電池材料隨資源變化情況靈活調(diào)整，屬于平衡電池資源與特性的技術(shù)、管理相結(jié)合的方案。”曹廣平說(shuō)。

企業(yè)探索電池材料多元化

馬斯克認(rèn)為，需要重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)力電池的礦物供應(yīng)，以加快向電動(dòng)化交通和可再生能源轉(zhuǎn)型。特斯拉方面估計(jì)，全球?qū)⑿枰a(chǎn)300TWh的動(dòng)力電池，才能全面向可持續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)型。

不過(guò)，原材料價(jià)格的持續(xù)上漲與降低動(dòng)力電池成本的需求之間，形成了較大的差距。目前，磷酸鐵鋰電池比能量已趨于極限，且鈷資源有限，面臨可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。中國(guó)動(dòng)力電池所需金屬材料的現(xiàn)狀為“多鈦錳、少鋰、缺鈷鎳”，而這些材料絕大部分依賴進(jìn)口。因此，材料多元化發(fā)展也是解決動(dòng)力電池“卡脖子”問(wèn)題的主要?jiǎng)右颉?/p>

不難發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力電池企業(yè)也加快了對(duì)這個(gè)領(lǐng)域的探索步伐。寧德時(shí)代推出了電芯單體能量密度高達(dá)160Wh/kg的鈉離子電池，并計(jì)劃將下一代產(chǎn)品的能量密度提高到200Wh/kg。Ambri公司成功研發(fā)的新型專利技術(shù)，采用銻作為關(guān)鍵原材料，不僅可以解決鋰離子電池續(xù)駛能力較差的缺陷，同時(shí)比鋰離子電池更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

事實(shí)上，動(dòng)力電池材料的多元化發(fā)展也從正極拓展至負(fù)極等組成部分。據(jù)悉，與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，混合鋰金屬電池采用大克容量的鋰金屬負(fù)極以及較薄的固態(tài)電解質(zhì)層，可大幅提升能量密度。國(guó)內(nèi)主流電池企業(yè)看到了混合鋰金屬電池未來(lái)的發(fā)展空間，寧德時(shí)代、億緯鋰能都進(jìn)行了相關(guān)布局。

廣汽埃安AION LXPLUS配裝的新型鎳鈷錳三元鋰電池，采用自主研發(fā)的“海綿硅負(fù)極片電池技術(shù)”，電芯能量密度可達(dá)280Wh/kg，在同等電量情況下單體電芯可實(shí)現(xiàn)體積減小20%、重量減輕14%。比亞迪、寧德時(shí)代、國(guó)軒高科、貝特瑞、杉杉股份、力神、比克、萬(wàn)向等企業(yè)都對(duì)硅負(fù)極展開了相關(guān)布局。

一家動(dòng)力電池企業(yè)的技術(shù)負(fù)責(zé)人對(duì)記者直言，近年來(lái)鈷、鎳、鋰等資源被資本輪番炒作，使明智的從業(yè)者不得不考慮能夠不被資本掣肘的資源，鈉離子電池、錳基材料電池，都是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生的。他認(rèn)為，即使解決了錳基材料的結(jié)構(gòu)缺陷、不穩(wěn)定問(wèn)題，能夠避免鈷、鎳資源的壓力，但對(duì)能量密度敏感的車型，鋰元素還是無(wú)法避開的一道坎。(趙玲玲)