任何电池路线的发展都离不开能量密度和成本这两条主线。磷酸锰铁锂的能量密度高于磷酸铁锂但成本却差不多，富锂锰基材料和层状锰酸锂的能量密度优于三元材料。在原材料成本不断高企的当下，研发这几种正极材料的热度自然会提升。 近日，当升科技宣布磷酸锰铁锂材料已完成研发，目前处于客户认证阶段；巴斯夫杉杉宣布富锰电池材料已实现吨级规模化生产……近年来，包括磷酸锰铁锂、富锂锰基等锰基电池备受关注，相关企业加速布局。锰基材料电池前景究竟如何？ 性价比优势显著 磷酸铁锂电池和三元锂电池是目前电动汽车使用的主流动力电池。 今年3月，特斯拉CEO马斯克表示，“我认为锰基电池有潜力。”他进一步称“在非常大的(电池)需求下，我们需要数千万吨甚至数亿吨原材料。因此，用于大规模生产电池的材料必须是普通材料，否则就无法规模化。”在2020年的特斯拉电池日上，马斯克还曾表示，用2/3的镍和1/3的锰做正极材料相对简单，这使得在同样数量镍的情况下可以提升50%以上的电池容量。 目前主流锰基电池包括锰酸锂、磷酸锰铁锂、富锂锰基等。业内人士认为，锰基材料中，磷酸锰铁锂作为磷酸铁锂最重要的改进方向之一，有望率先产业化应用。据了解，磷酸锰铁锂是磷酸铁锂与磷酸锰锂的固溶体，保留了磷酸铁锂的优良安全性与稳定性，并且拥有较高的电压平台以及与磷酸铁锂相同的理论克容量，因此相同条件下其理论能量密度比磷酸铁锂电池高20%左右。目前，拥有磷酸锰铁锂技术储备的电池厂商有宁德时代、比亚迪、国轩高科等，主要以专利技术研发、投资布局为主。德方纳米、中贝新材料、天津斯特兰等正极厂商均对锰铁锂产品有所布局。德方纳米表示，公司新型磷酸锰铁锂已开始送样，预计1-2年后可实现产业化，叠加正极补锂技术，该电池能量密度可提高20%，循环寿命可达1万次。 中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员夏永高指出，目前磷酸铁锂电池的能量密度已接近极限，三元锂电池受近期镍、钴价格波动影响，成本飞涨。同时，相对于镍、钴，锰的储量较为充足。在此背景下，锰基电池的优势进一步凸显。 在真锂研究首席分析师墨柯看来，任何电池路线的发展都离不开能量密度和成本这两条主线。“磷酸锰铁锂的能量密度高于磷酸铁锂但成本却差不多，富锂锰基材料和层状锰酸锂的能量密度也优于三元材料。在原材料成本不断高企的当下，研发这几种正极材料的热度自然会提升。” 尚存技术难点 据了解，比亚迪多年前曾尝试研究锰基电池并申请了相关专利，不过后续未有更多进展，目前比亚迪主打刀片电池。 事实上，具备诸多优势的锰基电池自身也有痛点。“锰元素的加入可以提升原本磷酸铁锂电池的能量密度，但与此同时，锰加入后，材料的锂离子扩散速度和电子电导率均会降低。因此，为了实现磷酸锰铁锂更高的放电比容量，需要减小材料一次颗粒尺寸，但小的纳米颗粒也带来一系列副作用，如压实降低、吸水性高，以及其导致的高温循环性能差和胀气问题。”夏永高表示。 “磷酸锰铁锂技术开发的难点在于解决电压双平台的问题，富锂锰基和层状锰酸锂技术开发的难点在于延长循环寿命的问题，目前，上述技术都还没达到实用阶段的水平。”墨柯坦言。 高工锂电认为，未来2-3年磷酸锰铁锂将更多的以复配三元材料方式加以应用。长远来看，随着其成本下降，循环性能改善，将加速完成从辅材到主材的升级过程。“磷酸锰铁锂现阶段单独使用还存在一些问题，其更适合用作三元锂电池的辅助材料，既可以兼顾能量密度，又可以提高三元电池的安全性能。”夏永高表示。 带动用锰需求 原材料供应紧张导致此前电池价格暴涨，近期价格仍维持在高位。目前，不少车企纷纷寻找性价比更高的电池，新材料、新技术层出不穷。清华大学教授、中国科学院院士欧阳明高近日表示，未来动力电池很有可能出现更多材料体系方面的创新。从目前来看，钠离子低温充电、快充性能表现十分突出，锰酸锂、锰酸铁锂等锰基固态电池经济性、低温性能表现优异，两者凭借各自优势，均已进入新一代动力电池技术研发布局之列。 中金公司的研报指出，2022年开始，4680电池、CTB、磷酸锰铁锂电池、半固态电池、钠电池、锂电回收等有望陆续走向产业化。“原材料价格上涨越多，综合性价比越高的电池路线就越受欢迎，比如，磷酸锰铁锂等多种技术路线未来都会有参与竞争的机会。”新能源与智能网联汽车独立研究者曹广平表示。 据了解，锰酸锂电池目前已实现大规模量产，在两轮车市场有着较大市场空间，磷酸锰铁锂电池、富锂锰基电池仍处于规模化量产的推进过程中。 业内比较关注，何种锰基电池可实现最先搭配装车。对此，夏永高看好三元/磷酸锰铁锂复合电池的前景。针对目前磷酸锰铁锂电池发展面临的技术问题，他认为针对不同的应用场景，综合平衡锰铁比、电化学性能和物理性能等至关重要，不应一味追求更高的锰含量。 未来随着锰基电池的发展，锰在电池端的需求也将攀升。中信证券的研报指出，受益于三元正极材料和锰酸锂材料出货量的快速增长，预计2025年锂电正极材料用锰量将超过30万吨，2021-2025年复合增长率为32%。随着新型锰基正极材料的渗透率提升，预计锂电池用锰量将出现激增，至2035年有望增至130万吨以上，相当于2021年的10余倍。2035年锂电池领域用锰量预计占锰整体需求比例达到5%。 read more

电动车发展势头正佳，而关于三元锂和磷酸铁锂的路线之争也从未消停，刀片电池、弹匣电池等名头，无不向世人传递出一个信号：我才是动力电池的未来。但结果真的会如此吗？答案是未必。 最近，宁德时代董事长曾毓群对外透露，将于今年7月前后发布钠电池。 按照专家的说法，钠电池是一种“不依赖资源”的新型电池，不会像锂电池那样受上游原材料的供应以及价格变化影响，未来不存在发展瓶颈。 于是，吃瓜群众们不仅好奇：钠电池究竟是个啥？跟锂电池相比，钠电池的优点和不足又是什么？到底谁才是动力电池的未来？ 钠电池是什么？ 跟锂电池的命名方式一样，钠电池的全称叫做“钠离子电池”，其工作原理，就是通过钠离子在电极之间的移动来实现充放电过程。 两者工作原理略有不同的是，锂电池是通过锂离子在正负极之间移动、转换实现充放电，而钠电池是由钠离子在正负极之间的嵌入、脱出实现电荷转移。 ▲钠离子电池基本工作原理 简单来说，这不就是将锂离子换成了钠离子么？是的。而且，跟锂电池类似的是，钠电池在正负极材料的选用上也比较多元化，不同的电极材料能在电池能量密度方面带来不同的表现。 关于钠电池最早的研究，始于上世纪70年代的第一次石油危机期间，只是没有像锂电池那样进展迅速，此后相关研究越来越少，直到2010年之后，钠离子电池才与太阳能等可再生能源一起同步发展，以丰富储能体系。在这方面，欧美起步稍早，大概在2011年和2012年分别有公司涉足相关领域，美国能源部对此也有一定支持。 2012年，日本丰田曾发布一种钠离子电池正极材料，在当时就已经能将电动车续航里程提升到500-1000公里。 ▲各类高倍率性能钠离子电池正极材料的设计策略 在我国，包括中科院在内很多科研机构也在开展钠电池的研究，科技部2016年为此专门立项，今年4月，国家发改委和国家能源局发文，提出要支持储能多元化发展，以及加快钠离子电池开展规模化。 从产业化推进速度和专利布局来看，目前我国在钠电池领域处于领先地位。 钠电池各项性能如何？ 既然大家都重视，那钠电池理应比锂电池更有优势才对。 可是，至少在目前看起来，跟如今应用最广泛的两种动力电池（磷酸铁锂、三元锂）相比，钠电池的主要性能指标其实并不具备明显优势，甚至在消费者十分看重的能量密度方面还处于劣势。 具体来看，如今三元锂量产装车已经做到180-200Wh/kg的水平，中短期目标是做到300Wh/kg；磷酸铁锂目前量产装车最高的为140Wh/kg，中短期目标是实现180-200Wh/kg；而国内钠离子电池目前能量密度最高为145Wh/kg，中短期目标是160-200Wh/kg，比三元锂差了不少，跟磷酸铁锂在相近水平（中科院物理所研发的钠电池，理论能量密度已经达到180 Wh/kg）。 虽然能量密度指标并不占优，但钠电池在充电速度方面却有不小的优势。众所周知，即便采用大功率直流快充，三元锂电池一般是半个小时能从20%充到80%，磷酸铁锂充电费时更久，而钠电池只要10分钟就能干到90%，也就相当于我们给车加个油的时间。 另外，在充放电循环寿命方面，钠电池可以做到4500次，三元锂只有两三千次，这方面磷酸铁锂优势明显，已经做到6000次，据称锂电池循环寿命最高可以超过上万次。 低温性能方面，钠电池在零下40摄氏度都可以正常工作，跟三元锂差不多，比磷酸铁锂更能适应冬季以及高寒地区。 而在电动车用户普遍关注的安全性方面，钠电池也比三元锂更令人放心。这一方面是因为其电解液稳定性高，另一方面就是因为能量密度低，使得钠电池在高温性能方面比三元锂电池更好。 最后，钠电池还有一个所有锂电池都不具备的优势，就是它不像锂电池一样担心会过放电，所以钠电池允许彻底放电到0伏——这对于一般电动车用户好像没什么实质性意义，但对于储能场景应用就更值得推广了。 为什么要发展钠电池？ 综上，就实际应用而言，由于能量密度偏低，钠电池目前还难言优势，但鉴于其能量密度基本跟磷酸铁锂看齐，以及在其他性能方面还有自己的特色，其量产价值其实已经不小。 但这就是世界上主要国家发展钠电池的根本原因吗？其实不然。钠电池之所以能得到重视，最重要的原因，正是我们在本文开头提出的——不依赖资源，这需要从两个方面来理解。 首先，论在地球上的储量，钠远比锂要丰富得多。 资料显示，锂在地壳中的含量仅为0.0065%，即便是把地球上所有的锂元素都用来生产电动车，大概只够生产15亿辆特斯拉。而且，大部分已探明锂资源都在南美洲（主要是玻利维亚、智利、阿根廷等），集中于当地的盐湖中，但该区域政局不稳，所以引起碳酸锂价格经常大幅波动。此外，国内锂提取技术目前也没有规模化，我们80%的锂从澳大利亚进口，但当前的中澳关系并不利于维持这种贸易需求。 反观钠，分布就明显广泛的多，钠资源约占地壳元素储量的2.64%——也就是说，钠的储量是锂的406倍。其中，光是我国已探明的钠盐储量，早在六七年前就已经超过1.4万亿吨，而且，如今全球的金属钠产能，也正在向中国转移。 ▲盐湖中丰富的钠盐 其次，钠电池成本更低。 宁德时代之所以要发布钠电池，核心原因是锂电池的原材料涨价太凶猛（从去年下半年至今已经涨了多次），而钠电池则丝毫不存在这方面的压力，原因有三： 一、钠盐因为储量巨大，原材料价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本能降低一半； 二，钠盐的特性允许使用低浓度电解液（同样浓度的电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右），这样就能进一步降低成本； 三，钠离子不会跟铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，此举可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右。 几大主料都能大幅节省生产成本，也就不难理解为啥电池企业愿意开辟这条新的道路了。有数据显示，目前国内钠电池的材料成本加上制造成本，大概在0.36元/Wh左右，这已经比锂电池低了，只不过，钠电池目前还处于推广初期，其整体商业成本短期内会比锂电池高，这一点宁德时代也有简单提及。 最后说说 不仅仅是宁德时代，包括深圳华创电新、辽宁星空钠电等多家企业都对钠电池提前进行了布局。可见，虽然钠电池的能量密度是个较为明显的短板，但业内对其赶超磷酸铁锂依然充满信心，有企业称“钠电池能量密度超越150Wh/kg的进度将比磷酸铁锂快”，更重要的是，钠电池虽然还处于第一代产品阶段，但已经能看到第三代产品的雏形了。 更重要的是，钠电池在充电速度、循环寿命、低温性能、安全性能方面都有可圈可点之处，所以其市场前景值得期待。 而钠电池的出现，首先就将挑战磷酸铁锂的江湖地位，因为它们都是走的性价比路线。当然，磷酸铁锂和钠电池究竟谁能更胜一筹，从科学的角度来说还无法给出预判，毕竟，这两种电池，在不同电极材料和辅料的作用下，其能量密度天花板各不相同。 由此可见，未来，不仅仅是储能行业会有钠电池的一席之地，电动车势必也会形成锂电池和钠电池并行的局面，而且那一天已经可以预见了。 撰文：刘极昊 出处：头条号 @线外邦 read more