磷酸锰铁锂行业简析

磷酸锰铁锂行业简析1、引言LMFP产品、产能准备就绪，产业化有望加速磷酸锰铁锂在2022年下半年仿佛按下“快进键”，电池、正极材料新品接连发布。电池端，中创新航8月发布One-Stop高锰铁锂电池，支持整车续航超过700km。正极材料端，当升科技在7月发布磷酸锰铁锂材料产品——LMFP-6M1，为磷酸锰铁锂单独使用；容百科技在2022年7月发布四款磷酸锰铁锂产品，均与高镍三元混掺使用，磷酸锰铁锂材料混合比例从5%~95%不等。在LMFP产能方面，德方纳米新型磷酸盐系正极材料生产基地项目有11万吨磷酸锰铁锂产能，在9月开始投产。2、LMFP提升哪些性能？LMFP在LFP基础上添加锰，随电导性、循环寿命等短板逐步解决产业化有望加速磷酸锰铁锂是在磷酸铁锂基础上添加锰元素，获得的新型正极材料。在磷酸铁锂基础上引入锰元素，锰的高压特性能够获得比磷酸铁锂更高的电压平台，可打破目前磷酸铁锂的能量密度，并且有更好的低温性能。刀片、CTP等结构进步快于材料体系，2019-2021年铁锂装机占比不断提升。2019年以来，CTP、刀片电池等结构上的技术进步使得磷酸铁锂的系统集成效率、能量密度有所提升，加之2021年以来三元电池上游原材料大幅上涨，磷酸铁锂电池装机大幅提升。2019-2021年，磷酸铁锂在中国动力电池装机占比分别为33%、41%、52%，占比不断提升。若单看2021年，磷酸铁锂装车量在7月达到5.8GWh，开始超过三元装车5.5GWh。材料体系进步有望进一步提升能量密度。比亚迪在2013年就曾申请过相关专利，并在2015年连续申请多项磷酸锰铁锂专利，但由于锰铁锂存在电导性、循环寿命等短板，商业化进程缓慢。随着锰铁锂短板逐渐解决，锰铁锂产业化有望进一步加速。电导率差、压实密度低、循环次数低等缺点限制部分应用场景磷酸锰铁锂具有电压高、安全性高等优点，但存在导电率差、循环次数较低问题，限制部分应用场景。电导率差：锰元素的存在使得锂离子脱嵌与移动难度上升，从而导致较差的导电性能。磷酸铁锂的电导率为10-9S/cm，三元材料的电导率为10-3S/cm，而磷酸锰铁锂电导率为10-13S/cm，与磷酸铁锂材料相比存在数量级差异，影响其容量发挥和倍率性能。压实密度较低：为提升锰铁锂电导性，通常采用减小颗粒尺寸、碳包覆的手段对其改性，使得压实密度降低。而一次粒径过小会导致比表面积过高，制备电池极片时用大量粘结剂，导致成本增加、极片主含量降低。循环次数低：磷酸锰铁锂材料的锰离子存在姜泰勒效应，使Mn-O键发生剧烈结构变化从而影响电化学循环性能，也会导致锰发生歧化反应使部分锰以Mn2+形式溶解于电解液中。同时磷酸锰铁锂在极片压片过程中会发生一定程度的颗粒破碎，容易与电解液中的HF反应，造成锰溶出导致容量衰减。磷酸锰铁锂循环次数约2000次，而储能用的磷酸铁锂材料循环次数超过6000次。3、经济性如何？市场空间多大？LMFP适用于两轮车&动力电池，可纯用或与三元材料掺杂磷酸锰铁锂率先应用在两轮车领域。星恒电源在2021年12月推出“LONG终身保”产品，使用第二代单晶锰酸锂材料搭配磷酸锰铁锂，单芯循环达3000次。2022年4月，首批100组终身保产品已经下线，并将应用到一线市场的高端新车型中。2022年6月、7月，星恒与雅迪、绿源达成合作，供应磷酸锰铁锂产品。天能股份生产的磷酸锰铁锂电池也应用于小牛电动车F0系列。磷酸锰铁锂在动力电池领域也有望突破。从电池企业布局看，宁德时代在2021年11月入股并增资力泰锂能，持股比例达60%。力泰锂能有2000吨磷酸锰铁锂生产线，并计划新建3000吨产能。国轩高科、比亚迪也有磷酸锰铁锂产品/专利。正极企业方面，德方纳米在2022年9月投产磷酸锰铁锂产能11万吨，有望用于动力电池；当升科技在2022年7月发布LMFP-6M1，为磷酸锰铁锂单独使用；容百科技在2022年7月发布四款磷酸锰铁锂产品，均与高镍三元混掺使用。行业空间：预计2022、2025年磷酸锰铁锂正极需求1、39.5万吨，从0到1快速渗透动力电池：1）纯用：我们预计2022-2025年LMFP锂电需求4、41、97、163GWh，对应正极0.9、9.0、21.3、35.8万吨。2）掺杂三元：我们预计2023-2025年三元掺杂LMFP锂电需求为4、11、20GWh，假设掺杂比例30%、40%、50%，对应LMFP正极0.3、0.9、2.2万吨。2022-2025年动力电池LMFP需求合计0.9、9.3、22.2、38万吨。国内电动两轮车：我们预计2022-2025年LMFP锂电需求0.5、1.4、3.8、6.8GWh，对应LMFP正极0.1、0.3、0.8、1.5万吨。整体看，我们预计2022-2025年LMFP正极需求1、9.6、23.1、39.5万吨，2023-2025年同比增长904%、139%、71%。LMFP需求量从0到1快速渗透。假设2025年磷酸锰铁锂价格8万/吨，市场空间超300亿元。4、工艺路径：液相法VS固相法制备LMFP工艺路径主要分为固相法、液相法LMFP的制备工艺与LFP类似，分为固相法和液相法。固相法：将原材料混合均匀后球磨和砂磨，喷雾干燥得到前驱体粉末，再将前驱体在惰性保护气体氛围下高温烧结，再通过粉碎、筛分除铁等步骤得到LMFP正极材料。液相法：将各种原材料在溶液反应，再经过加络合剂/凝胶化/沉淀，最后干燥、热处理后形成磷酸锰铁锂。各家工艺略有不同:1）水热法/溶剂热法：将原材料加入溶剂或水中溶解，依次加入络合剂、石墨炔溶液，再经干燥、烧结、退火等处理得到LMFP。2）溶胶-凝胶法：将各种原料溶解在水/乙醇中，搅拌较长时间形成均匀的溶胶，再通过高温使体系发生凝胶化，高温焙烧后得到成品。3）共沉淀法：以可溶性盐为原料，通过调PH值或加沉淀剂使反应物形成沉淀，洗涤干燥后热处理得到LMFP。电池企业、正极企业均有LMFP专利储备，正极企业大多沿用原有正极产品工艺路径生产LMFP电池企业、电池企业均有LMFP专利储备。电池企业中，比亚迪2013年就有LMFP相关专利，同时具有液相法、固相法制备LMFP的专利；宁德时代有液相法（水热法）制备LMFP的专利，同时收购力泰锂能（固相法），目前已有LMFP产能2000吨，并规划3000吨产能。我们认为电池企业储备LMFP技术不一定为了形成材料一体化，或培育更多供应商来保证产品品质并控制成本。LFP企业：湖南裕能、湖北万润、龙蟠科技采用固相法制备LMFP；德方纳米采用液相法制备LFMP。磷酸铁锂企业制备LMFP大多沿用原有工艺，设备、工艺方面一定的协同性，并且有技术积累。三元正极企业：1)容百科技：2022年7月收购天津斯科兰德68.25%股权进入LMFP领域，采用的工艺路线为固相法；2）当升科技：自研+合资公司布局LMFP。2022年9月与四川路桥签订战略合作协议，通过股权合作、共同出资合作等形势布局磷酸（锰）铁锂、磷酸（锰）铁等项目。当升也有液相法-共沉淀法LMFP的专利储备。我们认为三元正极企业优势在于与三元与LMFP的掺杂改性应用。液相法：德方纳米为例，液相法LMFP与LFP工艺流程类似，主要差别在原材料德方纳米11万吨磷酸锰铁锂生产工艺与现有产品纳米磷酸铁锂相近，主要步骤为：1）原材料混合：将配比好的各类原材料按添加顺序依次加入到搅拌罐中，搅拌溶解成液体状态浆料；2）前驱体制备：将浆料放入发热罐中进行预加热，浆料自热蒸发大部分水分，形成固体蜂窝状凝胶；3）破碎、造粒、烧结、除铁等：将固体蜂窝状凝胶输送至破壁机，经破碎、辊压形成颗粒状，再将干燥后的粉末状凝胶在辊道窑中烧结，研磨、除铁后得到磷酸锰铁锂/磷酸铁锂。德方纳米的液相法LMFP与LFP工艺流程类似，主要差别主要在原材料。LMFP原材料相比LFP增加锰源（硝酸铁）、络合剂（作用为抑制锰溶出），我们认为主要成本增加为锰源，络合剂成本占比不高。以三聚磷酸钠为例，添加比例约0.2%，价格约9600元/吨，1吨LMFP对应络合剂成本仅19元。液相法优势在于混合均匀、颗粒光滑分散性好、小粒径利于锂离子扩散液相法优势：1）混合均匀，反应更充分：磷酸亚锰铁前驱体作为锰源和铁源，可在微观尺度上保证锰、铁混合的均匀性，最终合成的磷酸锰铁锂物相均一性好。2）颗粒表面光滑、圆润度好、分散性好：利于电池厂家加工，并一定程度提高压实密度。3）液相法更利于做出小粒径材料：较小的粒径可以增大比表面积，有利于锂离子扩散，改善倍率性能，进而提升其电化学性能。液相法缺点：1）引入硝酸根离子：需要脱硝酸且有一定环保压力。2）缩小粒径降低压实：颗粒的一次粒径过小，并不能提升电池的能量密度，提升了电性能，但是降低了压实。3）粒径过小比表面积大，使用大量粘结剂：一次粒径过小，会导致颗粒比表过高，制备电池极片时大量使用粘结剂，导致成本增加和极片主含量降低。从LFP到LMFP，液相法与固相法在动力产品的性能差距或缩小在动力领域，固相法LFP产品能量密度高、压实高，相比液相法产品性能更为出色。以动力产品为例，裕能应用于新能源车的产品比容量≥156mAh/g，压实密度2.45-2.65g/cm3；湖北万润用于续航500km以上电动车的产品A8-4G比容量≥154mAh/g，压实密度≥2.5g/cm3；而德方纳米适用于动力领域的DF-5首次放电容量≥154mAh/g，压实密度仅为2.45-2.5g/cm3。固相法LFP产品的比容量、压实密度均高于液相法，在动力领域性能更为出色。从LFP到LMFP，液相法和固相法在产品品质上的差距或缩小。液相法混合更均匀压实密度改善，弥补因粒径较小带来的缺点。而固相法由于受限于铁源和锰源原本的颗粒大小，无法使二者实现原子级别和混合，导致产品电化学性能不佳，我们认为液相法和固相法在产品品质上的差距或缩小。5、成本端：液相法VS固相法液相法工业级碳酸锂就可满足，而固相法需要电池级碳酸锂，锂价高位时液相法材料成本优势明显液相法工业级碳酸锂就可满足，碳酸锂价格高位时材料端具有成本优势。液相法磷酸铁锂用工业级碳酸锂就可满足，碳酸锂价格高位时，如2022年11月7日工业级碳酸锂54.5万/吨，电池级碳酸锂57万/吨，若1吨磷酸铁锂消耗碳酸锂234kg，工业级碳酸锂成本低于电池级碳酸锂约5850元/吨。而碳酸锂价格低位时，如2021年5月20日工业级碳酸锂8.2万/吨，电池级碳酸锂8.8万/吨，1吨磷酸铁锂用工业级碳酸锂比电池级碳酸锂成本低约1400元。液相法能耗较低，能耗成本低于固相法液相法电耗低，能耗低于固相法。固相法1吨磷酸铁锂消耗电1300度，天然气300Nm3，能耗远高于液相法。从能耗方面看，液相法以德方纳米2021年产8万吨项目中1吨磷酸铁锂消耗696.3kwh电、0.15Nm3氮气、0.62Nm3氧气，合计成本约700元/吨。固相法以湖北万润2021年产5万吨磷酸铁锂项目为例，1吨磷酸铁锂消耗1300kwh电、330Nm3氧气，合计成本约1700元/吨。液相法直接从原材料合成磷酸铁锂，没有磷酸铁中间步骤，若考虑固相法企业磷酸铁一体化，我们预计固相法能耗成本更高。对上游资源布局的重要性或高于固相法/液相法路径选择以固相法为例，碳酸锂、无水磷酸铁