调研 | 磷酸锰铁锂,新一代性价比优选正极材料

投资建议

磷酸铁锂电池相关产业链的高景气度被不断被验证,磷酸锰铁锂相较铁锂,在保持低成本、高安全的基础上进一步提升0~20%能量密度,我们认为其未来有望实现对铁锂、三元5系材料部分替代。鉴于磷酸锰铁锂与磷酸铁锂生产工艺相似,建议关注磷酸铁锂电池产业链龙头公司,如宁德时代德方纳米当升科技

发展趋势

基础性能:磷酸锰铁锂材料在不妥协安全性基础上能量密度较磷酸铁锂有至多20%提升。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂晶型相同,优缺点相似:

1)安全性:磷酸锰铁锂稳定性好、安全性高,可通过穿钉、撞击等多项安全测试;

2)能量密度:磷酸锰铁锂放电电压较铁锂提升21%(4.1Vvs.3.4V),有潜力带动电池能量密度10-20%的提升,我们认为最终有望接近三元5系水平;

3)循环性:目前电池可实现2000圈稳定循环,距离磷酸铁锂最优水平仍有不小差距;

4)合成工艺:锰铁锂与铁锂合成工艺高度相似,材料均需要纳米化和碳包覆处理以改善倍率性能。

经济性:磷酸锰铁锂稀缺资源依赖性弱,瓦时成本与磷酸铁锂基本持平或略低。锰、铁资源相较钴、镍等更加易得,成本也更低。当前锰价高于铁价,磷酸锰铁锂材料单吨成本根据锰元素加入量相较铁锂提升约0-20%,考虑到锰铁锂能量密度的提升,我们认为电池装机成本口径上,磷酸锰铁锂瓦时成本与磷酸铁锂基本持平或略低,并大幅低于三元电池水平。

市场空间:我们认为磷酸锰铁锂材料2025年全球有望迎来30万吨需求及182亿元市场空间。磷酸锰铁锂作为LFP,5系三元潜在替代材料,我们认为其梯度应用路径为:两轮车/小动力-电动车-储能领域。

1)两轮车/小动力:我们预计2025锰铁锂渗透率有望达40%-75%/30%-50%,需求中性预测有望突破19/13GWh;

2)电动车:我们预计2025年锰铁锂对铁锂替代需求达到56GWh,与三元复合搭配需求达到28GWh,总体需求量约为84GWh;

3)储能领域:我们预计2025年锰铁锂对于铁锂的替代量约为36.7GWh,与三元复合搭配增量约为6.3GWh,整体非动力需求约为43GWh。

盈利预测与估值

建议关注布局磷酸锰铁锂电池路线的宁德时代德方纳米当升科技

风险提示

技术进步不达预期,产能投放不达预期,新能源车销量不达预期,锰铁锂渗透率提升不达预期


基础性能:能量密度提高,长循环仍有挑战

更高的能量密度,更广的应用范围

磷酸锰铁锂(LMFP)与磷酸铁锂(LFP)晶型相同,基础物化性质近似。LMFP材料为在LFP基础上进行大量锰元素掺杂得到的晶体,与LFP同属正交橄榄石晶体结构。该晶体内部存在一维锂离子通道,通过两相转化反应实现锂离子脱/嵌以完成材料充放电。晶体结构、放电机制的相同也致使LMFP与LFP有很多相似的性质

性质稳定,安全水平良好

LMFP与LFP同属聚阴离子材料,化学性质稳定、安全性能出众。LMFP与LFP同属正交橄榄石晶体结构,材料具有热稳定性优良,氧化性低的特点,可有效减少短路等情况时的燃烧、爆炸危险。根据ATL的行业安规测试实验结果,LMFP 和 LFP软包电芯在穿钉、撞击等多项安全测试均未发生明火和爆炸,电池安全性能优异。

放电电位更高,应用范围更广

锰元素加入可有效提升正极放电电压,带动材料整体能量密度提升,更好的匹配三元正极并构成复合正极电池:

LMFP较LFP放电电压更高,能量密度可提升10%-20%,有望追赶NCM5系产品。LMFP放电具有两段电压平台(4.1V 和3.4V),分别对应Mn和Fe元素价态改变。对比仅有Fe元素放电的LFP材料,LMFP与其理论比容量相近,但放电电位更高,在电池设计相同的情况下,LMFP的电池能量密度会提升10%至 20%。因此我们认为LMFP电池未来在能量密度上有望追赶NCM5系产品,但与更高容量的高镍三元正极材料相比仍存在一定差距。

LMFP可与三元正极复合以实现兼顾电池能量密度和安全性的新型电池。LMFP材料粒径较小,可以嵌入NCM等材料并与之进行复合。例如,通过LMFP包覆三元材料进而形成新复合材料,既可以弥补三元材料的安全性问题,也可以提高复合材料的能量密度。

更强的挑战、类似的解决方案

倍率性能较差,循环性能不佳

受限于晶体结构,LMFP与LFP同样具有反应活性不高的缺点,同时LMFP具有独特的锰溶出问题,造成循环性能欠佳:

晶体结构导致电池倍率性能、低温性能不佳。LMFP与LFP所属的正交橄榄石晶体结构电子电导率较低,同时内部仅有曲折的锂离子一维传导通道。离子、电子输运不畅导致了材料反应动力学迟滞,在电池中具体表现出倍率性能孱弱、低温性能不佳的特点。

锰元素溶出导致容量衰减、循环性变差。类似于锰酸锂材料,LMFP在电池充放电过程中,锰元素变价易出现Jahn-Teller 效应,导致离子溶出至电解液的发生。锰元素的溶出将带来正极缺锰相生成、结构坍塌、锂离子脱嵌受阻,致使电池极化增大的缺点。在负极侧,溶解的锰元素也会影响负极表面SEI层结构,最终使电池容量保持率降低。目前LMFP的循环次数大致在2000次左右,而LFP的循环次数则能达到2000次至6000次。

总体而言,我们认为在当前技术背景下LMFP兼具各方面性能的难度较大。具体来说LMFP能量密度上升后,寿命往往会变差,二者存在此消彼长的关系。尽管LMFP在功率、能量密度、寿命、成本中的某单一指标上可以超过三元正极材料,但其在各方面同时提升的可能性却非常小。

合成路径相似,纳米化和碳包覆是关键

LFP与LMFP晶型相同、面临挑战类似,因此粒径优化和碳包覆是提高性能的关键解决手段:

材料的粒径优化是促进容量发挥的关键。纳米化是提升材料比表面积、促进反应活性的常见手段,广泛应用于LFP材料的合成工艺。材料粒径过小也容易导致压实密度偏低、安全性下降的问题。因此,合理的粒径优化工艺对LMFP电池能量密度提升至关重要。

碳含量是衡量碳包覆工艺的重要指标。碳包覆增强LMFP导电性,有效提升电池容量及倍率性能。但过度碳包覆会降低LMFP重量占比,影响电池整体能量密度。因此薄而有效的碳包覆是碳包覆工艺关键,碳含量是其中的重要指标。

在合成工艺方面:液相法一致性好、晶体质量高,固相法技术成熟、成本低易扩产。目前常见合成工艺包括液相法,固相反应法,溶胶凝胶法等,其中液相法结晶工艺至关重要,通常具有一致性好,晶体质量高的优点,可有效制备纳米化LMFP前驱体;固相反应法技术成熟,一致性较液相法稍差,晶体质量稍差。

应用层面:价格低前景广,产业布局已启动

经济性:原料获得性强,制造成本较低

LMFP资源依赖性弱、瓦时成本基本与LFP持平,远低于三元正极:

不同于依赖稀缺钴资源的NCM三元正极,LMFP使用的铁、锰、磷原材料更加丰富易得。根据我们的测算,单吨NCM5系三元正极材料需要约0.23吨钴、0.13吨锰和0.54吨镍,而LMFP单吨锰用量约0.2至0.3吨,单吨铁用量约0.1吨,上游原料简单易得。

LMFP材料价格仅略高于LFP,经济性较好。锰价高于铁价,随Mn配比提升,LMFP材料单吨成本高于LFP 0~20%。然而LMFP基于LMP相更高电压平台,能量密度较LFP高0~25%。因此总体来看,材料能量密度成本基本与LFP持平。未来通过降低结构件、隔膜、集流体等非活性组件单位用量,我们认为LMFP电池制造成本较LFP有望下降0~16%。



需求:2025年全球有望迎30万吨需求及182亿元空间

LMFP作为LFP,5系三元潜在替代材料,未来在两轮车、动力及储能领域均有较大应用潜力,其梯度化应用前景可总结为:

从梯度路径看:我们认为顺序为两轮车/小动力-电动车-储能领域。磷酸锰铁锂由于安全性好、能量密度较高,在电动两轮车中率先应用,其他小动力有望在两轮车之后不断切换至LMFP。而在平价时代下,我们认为电动车将成为第二梯度的应用场景,储能市场导入相对较慢,成为第三梯度的应用。

对现有材料冲击看:远期有可能替代铁锂和5系三元,但近中期影响较小。锰铁锂能量密度和5系三元接近,但成本仅比磷酸铁锂高不到20%,从中长期来看理论上具备大幅替代铁锂的可能性。但由于行业目前仍未形成统一的工艺路线,且循环寿命也较铁锂存在一定短板,因此我们认为锰铁锂短中期仍难以完全撼动磷酸铁锂的地位。

第一梯度:两轮车和其他小动力车市场

我们预计到2025年LMFP电动两轮车渗透率有望达40%-75%,其他小动力有望达30%-50%:

锂电渗透率假设:根据鑫逻资讯和我们的测算,2020年中国电动两轮车的锂电渗透率已达27%,按年均9%的增速到25年达71%,海外锂电渗透率较慢2025年或达35%。

LMFP渗透率假设:两轮车应用较领先,其他小动力紧随其后,25年乐观/中性/悲观情景下两轮车LMFP渗透率有望达到75%/50%/40%;其他小动力LMFP渗透率有望为50%/40%/30%。

需求测算:到25年两轮车/其他小动力LMFP的需求量有望突破19/13GWh,对应未来4年cagr约为71%/158%。


第二梯度:四轮车市场

我们认为对于锰铁锂在电动车领域的替代过程应该从其对原有铁锂和三元材料体系的冲击进行考虑。铁锂主要是激烈的竞争替代,三元则是搭配混合:

铁锂:我们预计到2025年磷酸锰铁锂在中国乘用车/商用车/海外电动车对磷酸铁锂替代比例有望达到20%/30%/5%。

三元:锰铁锂+三元的复合材料具有更好的低温和循环性能,但内阻偏大,在中端车型或有所放量,我们预计到25年复合使用比例或不足20%,而使用的质量配比约为14%。

需求测算:我们预计中性假设下到2025年四轮车动力领域磷酸锰铁锂对铁锂替代需求达到56GWh,与三元复合搭配需求达到28GWh,总体需求量约为84GWh。


第三梯度:储能+消费+通信+电动工具市场

非动力应用场景下,同样对安全性、低温性能和循环寿命等有一定要求,因此锰铁锂同样具备应用潜力。但相对于动力应用,锰铁锂在非动力应用中发展节奏较为缓慢,我们主要分为消费、储能、通信和电动工具四类进行讨论。我们同样基于锰铁锂对原有材料体系的冲击影响来进行需求预测:

铁锂:我们认为储能、通信和电动工具的应用节奏要缓于动力应用,预计2025年渗透率分布为20%/15%/12%。

三元:复合材料体系具备更好的低温性能和更长的循环寿命,整体更适用于对安全性要求更高的场景。我们认为消费/储能/电动工具的复合使用比例约为9.6%/30%/9.4%。

需求测算:我们预计到2025年对于铁锂的替代量约为36.7GWh,对于三元同步使用的复合材料体系增量贡献约为6.3GWh,整体非动力需求约为43GWh。


综合以上,我们预计至2025年中性假设下磷酸锰铁锂电池潜在市场需求有望达到159 GWh量级,考虑Mn/Fe比,及参照磷酸铁锂价格,我们预计对应磷酸锰铁锂正极市场空间有望达到30万吨/182亿元量级。

企业加速布局,龙头有望受益

电池、正极材料厂纷纷对磷酸锰铁锂进行专利、产线等方面布局,同时电池样品积极送测,部分企业已披露规模化扩产计划,产业化进程或超预期。鉴于磷酸锰铁锂与磷酸铁锂生产工艺相似,建议关注磷酸铁锂电池产业链龙头公司德方纳米当升科技,关注布局磷酸锰铁锂电池路线的电池企业宁德时代

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精彩评论

全部评论

依然困惑10-16 21:49

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MoArEly10-11 12:55

首先锰不缺 其次磷酸锰铁锂对锰盐的品质要求很低 杂粮都无所谓

华自和齐翔的钉子户10-03 00:17

确实是个景气股大师

不惊的鲸10-02 19:49

Gong zhong hao

题材挖掘纵队10-02 06:15

Mark