磷酸锰铁锂正极前景展望

锰铁锂是磷酸锰锂与磷酸铁锂结合的产物，充分结合二者优势。

目前锂电池主流的正极材料可分为过渡金属氧化物和聚阴离子盐，前者以钴酸锂、锰酸锂、三元材料为代表，后者以磷酸铁锂材料为代表。

磷酸锰铁锂（LMFP）是磷酸锰锂与磷酸铁锂结合的产物，充分结合二者优势。

磷酸铁锂与磷酸锰锂同属于聚阴离子盐，橄榄石型结构让二者均具备较高安全性和较差的电导率，其中磷酸铁锂易于合成+成本低+相对高的电导率，因此商业化较为成功；

磷酸锰锂电导率极低+稳定性差，一直未得到应用，但锰元素加入使得电压平台高，进而提升能量密度，而这正是磷酸铁锂的短板。由于铁和锰离子的半径相近，因此二者可实现原子级别的混合，进而得到可结合二者优势的磷酸锰铁锂。

锰铁锂定位是“升级版铁锂”，弥补其能量密度短板。

锰铁锂高电压平台带来较高能量密度，循环、安全性能比肩铁锂、低温性能优于铁锂。

从能量密度看，三元＞LMFP＞LFP。LMFP电压平台为4.1V，高于LFP的3.4V，由能量密度=克容量*电压可知，LMFP的理论能量密度较LFP高21%，但相比三元材料仍有较大差距，因此LMFP并非定位于替代三元材料。

从压实密度（与实际能量密度正相关）看，三元＞LFP＞LMFP。LFP工艺较为成熟，压实密度区间2.1-2.6g/cm3，少数头部企业可做到2.6g/cm3的水平。

LMFP目前的压实密度在2.3-2.5g/cm3，较LFP低，随工艺成熟还有提升空间。三元材料则因其本身真密度高，因此压实密度相对高。

从安全性能看，LFP＞LMFP＞三元。由于三元材料稳定性差，其高温下容易发生晶格塌陷，因此安全性差。由于锰元素高温性能差，因此LMFP较LFP安全性能稍差，但二者均较三元的安全性强。

锰铁锂高电压平台高带来较高能量密度，循环、安全性比肩铁锂、低温性能优于铁锂。从低温性能看，三元＞LMFP＞LFP。根据钜大锂电数据，三元材料在-20度容量保持率一般在80%+。

LFP和LMFP由于电导率低，低温性能差于三元材料。这里以德方纳米LFP产品为例，DY-1与DF-5在-20度容量保持率分别为73%、60%，差于LMFP产品75%的保持率，主要由于LMFP一次颗粒小于LFP，Li+运输路径更短。

从循环寿命看，LFP＞LMFP＞三元。由于橄榄石型的晶格稳定性好，因此LFP与LMFP的循环性能均好于三元。从2000次循环的容量保持率看，斯科兰德LMFP为88.7%，略低于德方DY-3的89.4%。

主要由于LMFP技术成熟度低（姜泰勒效应导致锰溶出破坏SEI膜进而加快衰减），因此目前循环寿命还达不到LFP的水平。

锰铁锂技术瓶颈，正在逐步被解决。

虽然理论上锰铁锂具备LFP的安全+循环优势，且能量密度更高，但电导率低+双电压平台+锰溶出，导致工业化生产难度大，材料性能和成本难以兼顾。

电导率低电子在锰铁锂跃迁能系远高于铁锂，铁锂可类比半导体，而锰铁锂基本属于绝缘体，此外锰铁锂一次颗粒很小，导致锰铁锂加工难度远大于铁锂。

双电压平台由于存在铁锰两种元素，带来2种不同的工作电压，大致在3.9V与3.3V，双电压平台存在不稳定性。

锰溶出锰离子姜泰勒效应，导致锰溶出，在负极表面沉积，破坏SEI膜。

总结电导率低、双电压平台、锰溶出导致锰铁锂的容量、稳定性、循环性能等达不到预期。

得益于对锰铁锂的重视程度回升，对相关领域加大研发，以上技术瓶颈，目前头部企业已经有所解决，具体方案有优化合成方法，合成后进行改性，例如将锰铁锂纳米化、碳包覆、金属离子掺杂、与三元材料复用等。

从工艺角度看磷酸锰铁锂成本。

研究重点锰铁比例的研究是关键，目前量产多为6:4。

高性能锰铁锂材料制备依赖于3个环节1）研究——对铁锰比例的判断；2）合成——对合成路线的选择；3）改性——对改性方式的选择。

铁锰比例最优比例尚无定论，目前多为64、73，高锰是发展方向。类比三元材料523、622、811的镍钴锰配比，大家已经充分认知如果想要高能量密度则选择高镍、想要性价比则选择中镍。

但锰铁锂中最佳的铁锰比例还没有明确的共识。过高的锰含量→姜泰勒效应→衰减快；过低的锰含量→电压平台提升不明显→无法提升能量密度。

为提升能量密度，使锰铁锂有研究价值，锰含量需要≥50%，目前研究集中在锰铁比为5:5、6:4、7:3、8:2、9:1，目前量产的产品多为64、73或之间，高锰是未来努力的方向。

从目前各家产品和专利看铁锰比例

当升科技产品根据2022年7月20日当升科技的产品发布会，其锰铁锂产品锰含量为65%，高于其列出的竞品55%的含量。专利锰含量研究范围在40%-90%。

容百科技产品根据2022年7月20日容百科技战略发布会，其产品锰铁比例为64。发布会中称“下一代高压实产品skyland one锰铁比7:3，近期将发布，8:2后续将推出”。专利锰含量研究范围在50%-90%。

力泰锂能（宁德时代控股）产品尚无公开产品锰铁比例。专利锰含量研究范围在60%-80%。

合成路线沿袭铁锂工艺，德方采用液相法，湖北万润等采用固相法。

锰铁锂与铁锂同属于磷酸盐体系，制备工艺类似，固相法简单适合工业化生产，液相法更复杂但产品性能更好。

不同于铁锂行业，有成熟的磷酸铁作为前驱体；锰铁锂行业发展初期，没有标准前驱体，需要正极企业自行制备，提高了行业技术壁垒。

锰铁需要实现原子级别混合，因此液相法天然更适合于锰铁锂生产，性能更佳；固相法简单更适合工业化。

德方和宁德时代采用水热法/溶胶凝胶法；力泰锂能、当升科技采用共沉淀法；斯科兰德、湖北万润采用固相法，斯科兰德下一代将转向固液一体化。

对于LFP公司来说，德方沿袭液相法、湖北万润沿袭固相法，二者协同性强，工艺基本与LFP相同；对于三元公司来说并非毫无优势，后段+复配存在一定协同性。

铁锂公司锰铁锂一般沿袭铁锂的工艺，德方继续采用液相法、湖北万润继续采用固相法，工艺协同性强。

三元公司自研，也可以收购进入锰铁锂生产，且后段（除前驱体）可能用三元设备做，有一定协同性；在与三元复配的研究上更得心应手。

改性方法纳米化、碳包覆、离子掺杂、与三元复用。

合成锰铁锂过程中，可伴随改性手段进一步提升电化学性能（类似LFP也需要一系列改性手段）。主要改性方式有纳米化、碳包覆、金属离子掺杂、与三元材料复用，且可同时使用以上多种方法。

纳米化原理为小颗粒缩短扩散路径+提高比表→电化学性能提升，具体实现通过水热法或者机械球磨等。

原理颗粒缩小至纳米尺寸后可以显著减少锂离子在正极活性物质颗粒内部的扩散路径，以便高效脱嵌，提高对应电池的倍率性能。

同时纳米化也能提高活性颗粒的比表面积，即提高与电解液的反应表面，以使性能得到提升。市场上成熟的LFP材料粒径基本为纳米级，而锰铁锂扩散系数较LFP的更低，因此粒径要更小才能发挥性能。

实现液相法本身通过简单的溶液过程即可制备出纳米粉体（在实际生产中水热法可实现纳米片形貌，但由于生产成本较高、设备投资较大的原因目前产能有限）；

固相法等可以通过机械球磨、控制煅烧温度等多种方式将材料尺寸缩小至纳米级颗粒。

碳包覆原理快速构建导电网络→导电性提升，具体实现通过与碳源混合后煅烧。

原理碳是常用的导电材料，利用导电碳与锰铁锂构建快速导电网络，使电子在充放电过程中可以在活性物质之间迅速迁移，降低电池的内阻和充放电极化。

同时碳包覆还可降低活性物质和电解液的接触表面，从而避免与电解液产生副反应，改善其高温性能和循环性能。

表面碳包覆还可有效抑制被改性材料颗粒的团聚和生长，从而维持住颗粒的纳米结构，有效减少Li+在活性颗粒内部的扩散距离，使材料拥有更加出色的倍率性能。

实现将材料与碳源混合球磨后煅烧。常见的碳源分为有机和无机碳源，有机碳源包括葡萄糖、蔗糖等，无机碳源包括炭黑、乙炔黑、石墨烯、碳纳米管等。

目前用的最多的是有机碳源，有机碳源在高温中会先溶解，均匀渗透到材料。

离子掺杂减弱姜泰勒效应→提高电化学反应活性，具体实现通过引入金属阳离子。

原理不同于碳包覆的是掺杂是从晶格内部改变材料的导电性和离子扩散性能，掺杂离子可使晶格产生缺陷，并可抑制Jahn-Teller效应，从而提高材料性能。

实现利用金属阳离子进行掺杂。常见的包括Mg2+、Zn2+、Cu2+、Co3+、Ni2+、Cr3+、V3+、Ti4+、Zr4+等。对于Mg2+的研究是最为广泛的，同价掺杂对改善LFMP的性能有积极地影响。

由于价态一致，不会引起晶格结构的缺位，造成循环过程中结构的坍塌。另外，钒掺杂的LFMP材料也得到了较大关注，低倍率时容量改善明显，但高倍率改善不明显。

成本测算BOM成本高于铁锂，制造成本仍有下降空间。

从单吨理论BOM成本看，由于锰比铁贵导致BOM成本略高于铁锂。锰铁锂可看成锰元素替代LFP的部分铁元素。

由于锰与铁的原子量几乎相当，因此单吨成本理论而言，仅看铁价与锰价即可，锰比铁贵，因此锰铁锂单吨成本略高于铁锂，但二者均没有贵金属，较三元成本低。

德方可研BOM成本高于相同锂价下的LFP成本约20%，力泰成本高于德方10%。

从德方纳米的可研测算看，在碳酸锂单吨价格为8万时，LMFP的纯BOM成本为3.7万元/吨，将LFP锂价折合到同一口径，LFP成本为3.1万元/吨，LMFP贵大约20%。

这个口径下差距较大，推测主要由于LFP的单吨成本有自制硝酸铁优势，且前期LMFP工艺尚不成熟，可能采取较贵的改性措施+使用补锂剂等，导致BOM成本高。

力泰2021H1的单吨材料成本为4.2万元，在锂价与德方基本相同的情况下，其成本高于德方可研成本10%。

德方LMFP可研口径制造费用为0.8万元/吨，较LFP高75%，差距主要在非折旧端；随规模上量+knowhow积累，预计制造端费用有较大的下降空间。

由于德方的LMFP沿袭LFP的液相法，工艺及设备差距不大，因此LFP与LMFP的单位投资额及单位设备投资额基本相当，差距在5%左右，按机器设备5-10年折旧，厂房30年折旧，摊到每年折旧额差距可忽略不计。

因此推测差距可能仍是由于新型工艺导致在燃料动力的差距。随规模上量+knowhow积累，预计制造端费用有较大的下降空间。

力泰规模小，导致分摊制造费用高。2020年-2021H1销售6、28吨LMFP，因此燃料动力+折旧+人工成本较高，在2万元/吨+，较德方高一倍多。

单吨总成本看，可研口径LMFP在4.7万元/吨，2021年LFP在3.8万元/吨，锂价相当时，总成本均较LFP高20%-30%。

理想状况下通过工艺优化+规模优势，成本将较LFP高5-10%，能量密度较LFP高15-20%，因此在单Wh成本上较LFP具备优势。

磷酸锰铁锂产业化路径及量产进展。

市场开拓已成功运用至两轮车，与三元复用打开车用市场。

两轮车电池行业趋势锂电替代铅酸是共识，拆分锂电材料看，星恒+天能积极推动锰铁锂上量。

从两轮车锂电出货看，2019-2021H1锰酸锂占比43-53%，占据主要市场，主要因为锰酸锂低成本（比铁锂还要低）+低温性能好，但循环寿命不佳。

两轮车电池龙头星恒电源主推锰酸锂路线并进行持续改进，验证锰酸锂+锰铁锂，锰酸锂+锰铁锂+三元等多种方案。

2020年星恒发现，用单晶锰酸锂搭配锰铁锂得到的材料性能最为理想，减少锰溶出→提升循环寿命，兼顾低成本，并于2021H2正式推出，目前主流产品已全部含锰铁锂。

两轮车龙二天能股份生产的18650锰铁锂电池已用于小牛电动车F0。

车用各家产品还在送样验证阶段，与三元产品复配打开车用市场，纯用产业化可能还需要2-3年。

量产进展车用领域仍在测试，预计2022H2小批量。

目前主流电池厂仍在进行测试中，宁德时代进展较快，预计2022H2小批量产，其次亿纬锂能、欣旺达在测试中。

正极材料厂中，德方纳米产能规划最大，下半年11万吨锰铁锂有望投产；力泰锂能已实现对两轮车出货；容百科技（控股公司已实现对两轮车出货）、当升科技推出新产品。

从国内2家较早做锰铁锂的企业力泰和斯科兰德看，2021年收入均不足千万，还未实现盈利。

展望未来2025年市场空间有望达200亿+。

目前磷酸锰铁锂主要应用在两轮车领域，我们假设LFMP在四轮车领域2022H2有小批量，2023年开始上量，未来主要替代LFP以及与三元电池复配，预计2025年全球LMFP材料需求为41万吨，按照单吨6万元测算，大约200亿+的市场空间。