中國儲能網(wǎng)訊：前一段時(shí)間，特斯拉首席執(zhí)行官馬斯克對錳基電池材料發(fā)表了簡要的評價(jià)：“我認(rèn)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(fā)展前景，不是馬斯克的新發(fā)現(xiàn)，20年前研究人員就已涉及。日產(chǎn)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(chǎn)生疑問，這會成為趨勢嗎？中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員夏永高告訴《中國汽車報(bào)》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(gè)突破點(diǎn)。不過，錳基材料在工程化的過程中還有一些難題需要解決。
01、錳基材料電池不是新鮮事物
中國科學(xué)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(fā)出來，日產(chǎn)聆風(fēng)配裝錳酸鋰電池，而磷酸錳鋰電池幾乎沒有被采用?！白罱蝗藗儚V泛討論的錳基材料電池不是新鮮事物，其優(yōu)勢明顯，短板也突出?！彼f。
據(jù)了解，行業(yè)一般使用5項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)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(huán)壽命。錳酸鋰電池的能量密度不及磷酸鐵鋰電池，循環(huán)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(xiàn)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(dá)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(huán)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(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該成為錳基材料電池的研發(fā)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(jié)構(gòu)的限制，合成穩(wěn)定可逆充放電的產(chǎn)品非常困難，同時(shí)也存在電子電導(dǎo)率和鋰離子擴(kuò)散速率低的問題?！?
錳不屬于稀缺元素，加上電壓高的特點(diǎn)，研究人員仍在努力尋求克服短板的解決方案。據(jù)介紹，李泓團(tuán)隊(duì)正努力在固態(tài)電池研發(fā)上解決錳酸鋰高溫性能差的弱點(diǎn)，以盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。全球多家機(jī)構(gòu)也在嘗試多種方式，包括碳包覆、離子摻雜、納米化等，以彌補(bǔ)磷酸錳鋰材料的短板。
02、錳基材料更適合三元鋰電池
受政策導(dǎo)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(bǔ)貼逐步退坡，磷酸鐵鋰電池的低成本優(yōu)勢愈加受到重視，越來越多的企業(yè)和車型轉(zhuǎn)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(fèi)者對超長續(xù)駛里程的需求，另外，其快充性能也不突出，導(dǎo)致用戶的補(bǔ)能體驗(yàn)不佳。
動力電池的能量密度與正極、負(fù)極、電解質(zhì)等關(guān)鍵材料密切相關(guān)。經(jīng)過行業(yè)的多年挖掘，磷酸鐵鋰電池正極材料的容量幾乎達(dá)到了“天花板”，很難有大的突破。為了發(fā)揮磷酸鐵鋰電池的最大功效，研發(fā)人員紛紛把目光聚焦于負(fù)極材料。
據(jù)介紹，硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極372mAh/g的理論比容量，這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)讓磷酸鐵鋰電池?zé)òl(fā)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(fù)極后，其能量密度迅速增長到190Wh/kg之上。
正負(fù)極是電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)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(rèn)為。
不僅磷酸鐵鋰電池的材料潛力被挖掘到極致，生產(chǎn)工藝的提高也接近極限。夏永高告訴記者，磷酸鐵鋰的壓實(shí)密度已達(dá)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(jìn)入了人們的視線。夏永高說：“研發(fā)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(dá)到4.1V，遠(yuǎn)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(fā)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(dú)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(shù)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(dá)到6000～7000PPM，造成表面的改性。此外，粒徑太小，壓實(shí)密度也會降低。
磷酸錳鐵鋰材料不能單獨(dú)使用，為何行業(yè)還熱衷繼續(xù)研發(fā)？在夏永高看來，磷酸錳鐵鋰與三元鋰電池配合使用有不錯(cuò)的效果。磷酸錳鐵鋰不適合與磷酸鐵鋰電池混合使用，因?yàn)閮烧咧g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。
03、相關(guān)企業(yè)加快研發(fā)生產(chǎn)布局
受補(bǔ)貼政策導(dǎo)向的影響，以往磷酸錳鐵鋰材料不受重視，很多企業(yè)青睞三元鋰電池，并且往高鎳的方向發(fā)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(jù)介紹，磷酸錳鐵鋰材料與三元材料進(jìn)行復(fù)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(huán)性能。這種復(fù)合方法也具有提高電池在低SOC下功率密度的作用。
認(rèn)識到磷酸錳鐵鋰材料的特性后，寧德時(shí)代、國軒高科等電池企業(yè)加入這方面的研發(fā)行列中，并且拿出了可以部分量產(chǎn)的產(chǎn)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(yīng)商的需求，正在擴(kuò)大自己的磷酸錳鐵鋰材料生產(chǎn)線。
斯科蘭德總經(jīng)理李積剛對記者表示，該公司是國內(nèi)首家規(guī)模實(shí)現(xiàn)磷酸錳鐵鋰材料商業(yè)化的企業(yè)，也是惟一實(shí)現(xiàn)千噸級出貨的企業(yè)。他對磷酸錳鐵鋰材料的前景充滿信心。
動力電池發(fā)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(chǎn)業(yè)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(jìn)口，用磷酸錳鐵鋰材料復(fù)合三元材料，可以降低鎳、鈷的使用，并且可以提高產(chǎn)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(chǎn)能，2022年底將達(dá)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(fā)展方向，也是我們敢于擴(kuò)大產(chǎn)能的依據(jù)?！彼f道。
中信證券的研究報(bào)告也指出，錳將成為“不容忽視的第四種電池金屬”。根據(jù)這份報(bào)告，2021年，錳在電池行業(yè)的應(yīng)用合計(jì)占比約2％，其中鋰離子電池用錳量占比約0.5％。該方預(yù)計(jì)，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(fù)合增長率（CAGR）為32％。
