錳基材料更適合三元鋰電池 為動力電池行業帶來“新靈感”

前一段時間，特斯拉首席執行官馬斯克對錳基電池材料發表了簡要的評價：“我認為，錳電池有潛力!”這條消息被迅速傳播，以至于有人說電池材料加錳將成為趨勢。

錳基電池有發展前景，不是馬斯克的新發現，20年前研究人員就已涉及。日產汽車采用錳酸鋰電池，但其后來沒有成為市場主流。比亞迪也曾嘗試推廣磷酸鐵錳鋰電池，隨后不久就棄之不用，還是走上了磷酸鐵鋰電池的“康莊大道”。三元鋰電池主要有兩種，其中之一是鎳鈷錳(NCM)，在汽車上已被使用多年。

錳基電池材料被馬斯克提及，讓部分汽車圈人士不禁產生疑問，這會成為趨勢嗎?中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員夏永高告訴《中國汽車報》記者，磷酸鐵鋰電池的能量密度遇到了“天花板”，錳基材料的高電壓特性成為人們嘗試的一個突破點。不過，錳基材料在工程化的過程中還有一些難題需要解決。

錳基材料電池不是新鮮事物

中國科學院物理所研究員李泓告訴記者，20年前，錳基材料電池就被研發出來，日產聆風配裝錳酸鋰電池，而磷酸錳鋰電池幾乎沒有被采用。“最近被人們廣泛討論的錳基材料電池不是新鮮事物，其優勢明顯，短板也突出。”他說。

據了解，行業一般使用5項關鍵指標衡量電池的性能，分別是能量密度、倍率性能、成本、安全性和循環壽命。錳酸鋰電池的能量密度不及磷酸鐵鋰電池，循環壽命、高溫儲存特性也存在短板，但成本比磷酸鐵鋰電池低，快充性能表現良好，低溫性能也比較突出，安全性介于三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池之間。

李泓說：“錳酸鋰比磷酸鐵鋰成本低20%～30%。另外，錳酸鋰電池的單體電壓較高，達到3.9V，磷酸鐵鋰電池為3.4V，三元鋰電池為3.8V。單體電壓高意味著電池PACK可以使用較少的電芯。”

與磷酸鐵鋰電池相比，磷酸錳鋰電池的能量密度高20%，成本也更低;與錳酸鋰電池相比，磷酸錳鋰電池的能量密度更高，高溫循環壽命更長;與三元鋰電池相比，磷酸錳鋰電池具有相似的能量密度，但更安全、成本更低。

這樣看來，似乎磷酸錳鋰兼具各方面的優點，應該成為錳基材料電池的研發方向。然而，人們卻在市場上幾乎找不到商品化的磷酸錳鋰電池。夏永高說：“磷酸錳鋰材料本身面臨結構的限制，合成穩定可逆充放電的產品非常困難，同時也存在電子電導率和鋰離子擴散速率低的問題。”

錳不屬于稀缺元素，加上電壓高的特點，研究人員仍在努力尋求克服短板的解決方案。據介紹，李泓團隊正努力在固態電池研發上解決錳酸鋰高溫性能差的弱點，以盡快實現技術產業化。全球多家機構也在嘗試多種方式，包括碳包覆、離子摻雜、納米化等，以彌補磷酸錳鋰材料的短板。

錳基材料更適合三元鋰電池

受政策導向的影響，多年前，三元鋰電池備受市場青睞，隨著新能源汽車補貼逐步退坡，磷酸鐵鋰電池的低成本優勢愈加受到重視，越來越多的企業和車型轉而采用。不過，磷酸鐵鋰電池的能量密度極限值較低，恐難滿足消費者對超長續駛里程的需求，另外，其快充性能也不突出，導致用戶的補能體驗不佳。

動力電池的能量密度與正極、負極、電解質等關鍵材料密切相關。經過行業的多年挖掘，磷酸鐵鋰電池正極材料的容量幾乎達到了“天花板”，很難有大的突破。為了發揮磷酸鐵鋰電池的最大功效，研發人員紛紛把目光聚焦于負極材料。

據介紹，硅基負極材料的比容量可以達到4200mAh/g，遠高于石墨負極372mAh/g的理論比容量，這個重大發現讓磷酸鐵鋰電池煥發出“第二春”。磷酸鐵鋰電池的能量密度曾長期徘徊于170Wh/kg，采用硅碳負極后，其能量密度迅速增長到190Wh/kg之上。

正負極是電池發生電化學反應的場所，兩類材料的潛力都被深挖到極致，研究人員很難再找出新的材料提升磷酸鐵鋰電池的能量密度。“磷酸鐵鋰電池的能量密度幾乎觸碰到‘天花板’，很難再提高。”夏永高認為。不僅磷酸鐵鋰電池的材料潛力被挖掘到極致，生產工藝的提高也接近極限。夏永高告訴記者，磷酸鐵鋰的壓實密度已達到2.0g/cm3，接近極限，很難再壓縮。在這種情況下，研究人員紛紛把目光瞄向新材料，錳基材料憑借高電壓特性進入了人們的視線。夏永高說：“研發人員嘗試在磷酸鐵鋰中加入錳元素，得到了磷酸鐵錳鋰電池，它的單體電壓達到4.1V，遠高于磷酸鐵鋰電池的3.4V。”

比亞迪多年前嘗試在磷酸鐵鋰電池中加入錳元素，對外宣稱研發出磷酸鐵錳鋰電池。盡管其與磷酸錳鐵鋰的名稱有所不同，但材料體系一樣。后來，比亞迪為何棄之不用?夏永高告訴記者，磷酸錳鐵鋰電池單獨使用會面臨一些難題，它的材料粒徑需要做到50納米，磷酸鐵鋰的粒徑約為數百納米，粒徑小就非常容易吸水。磷酸錳鐵鋰材料在空氣中的吸水量很快就能達到6000～7000PPM，造成表面的改性。此外，粒徑太小，壓實密度也會降低。

磷酸錳鐵鋰材料不能單獨使用，為何行業還熱衷繼續研發?在夏永高看來，磷酸錳鐵鋰與三元鋰電池配合使用有不錯的效果。磷酸錳鐵鋰不適合與磷酸鐵鋰電池混合使用，因為兩者之間電壓相差0.7V，BMS很難加以處理。而三元鋰電池的電壓為3.8V，與磷酸錳鐵鋰的比較接近。

相關企業加快研發生產布局

受補貼政策導向的影響，以往磷酸錳鐵鋰材料不受重視，很多企業青睞三元鋰電池，并且往高鎳的方向發展。鎳的含量提高，安全性隨之降低。磷酸錳鐵鋰與三元材料混合使用，電池的能量密度有一些下降，但安全性可大幅提高。據介紹，磷酸錳鐵鋰材料與三元材料進行復配，可將電池的能量密度提高到200Wh/Kg以上，并且有良好的循環性能。這種復合方法也具有提高電池在低SOC下功率密度的作用。

認識到磷酸錳鐵鋰材料的特性后，寧德時代、國軒高科等電池企業加入這方面的研發行列中，并且拿出了可以部分量產的產品。而天津斯科蘭德科技有限公司(以下簡稱“斯科蘭德”)針對電池供應商的需求，正在擴大自己的磷酸錳鐵鋰材料生產線。

斯科蘭德總經理李積剛對記者表示，該公司是國內首家規模實現磷酸錳鐵鋰材料商業化的企業，也是惟一實現千噸級出貨的企業。他對磷酸錳鐵鋰材料的前景充滿信心。

動力電池發展的方向，一是安全性，二是低成本，三是高能量密度。此外，我國動力電池產業還必須考慮資源“卡脖子”的問題，三元鋰電池中的鎳、鈷都要依靠進口，用磷酸錳鐵鋰材料復合三元材料，可以降低鎳、鈷的使用，并且可以提高產品安全性。

李積剛告訴記者，2021年底，斯科蘭德已具備5000噸的年產能，2022年底將達到2萬噸，2023年底提升至5萬噸，2024年底沖刺10萬噸。“錳元素電壓高，電壓高伴隨著高能量密度，這將是未來的發展方向，也是我們敢于擴大產能的依據。”他說道。

中信證券的研究報告也指出，錳將成為“不容忽視的第四種電池金屬”。根據這份報告，2021年，錳在電池行業的應用合計占比約2%，其中鋰離子電池用錳量占比約0.5%。該方預計，受益于三元正極材料和錳酸鋰材料出貨量的快速增長，2025年鋰電正極材料用錳量將超過30萬噸，2021~2025年復合增長率(CAGR)為32%。(萬仁美)