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锂电技术趋势:LMFP即将拳打LFP脚踢NCM

来源:言之成锂 | 作者:admin | 分类:技术 | 时间:2023-05-31 | 浏览:21345
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锂电网讯:近日,国轩高科在第12届科技大会上发布了L600型号的LMFP电池,能量密度240Wh/kg (525Wh/L), 在现有LFP能量密度190Wh/kg的基础上提高了25%左右。之前在四月举办的上海车展上,中创新航也展出了其LMFP版本的OS电池。

同时,CATL在去年就提出了M3P电池,有望提高能量密度15~20%,并且搭载在后续的Tesla车型之中。突然之间,LMFP的热度居高不下。那么LMFP到底是什么材料?其在日后的应用前景如何?本文带你一探究竟。

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 一、LMFP材料的优点

      LMFP材料是当前LFP材料的升级版本,同属于橄榄石结构,理论的克容量与LFP一样。但是锰的反应电压4.1V比铁的3.3V要高,整体上大概有接近25%的能量提升。但是要注意,虽然磷酸锰锂LMP的电压较高,但是其锂离子扩散速度以及电子导电性都非常差,比LFP要低1~3个数量级,所以其容量无法全部发挥。通常都要保留一部分的铁才能够正常使用,目前有的企业在推广的材料中,锰铁比例为6:4 (分子式为LiMn0.6Fe0.4PO4).更为主流的还有锰铁比例为7:3以及8:2的。由于还存在一定比例的铁,所以其能量密度的提升也就15~20%左右,无法达到25%的。跟LFP材料相比较,LMFP主要的优点是提高了能量密度,并且几乎不增加度电成本(材料成本要高一些,但是能量密度也高),且继承了LFP的高安全特性。不过其循环寿命,尤其是高温下不如LFP。但是LMFP材料电压平台跟三元类似,可以混合使用,在保证安全的前提下进一步提高能量密度。国轩的这款电芯能量密度升级程度达到了25%,超过了纯LMFP的极限:首先是大电芯带来的能量密度提升,这款223Ah电芯容量还是很大的;其次很可能是跟三元混用了,进一步提高能量密度。鉴于国轩在发布会上提到了LG给大众的电芯用的是NCM712正极材料(分子式为Li Ni0.7Co0.1Mn0.2O2).,该材料在容量和安全方面都有所兼顾,说不定就是跟NCM712混用的来提高能量密度。

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       二、LMFP电池的应用前景

       LMFP并不是新材料,至少十多年前这个材料就有了,很多人硕士博士的毕业论文也都跟这个材料有关系。比亚迪、超威,国轩,中航,CATL,力神等很多家企业也都研究过。比亚迪2015年推出的超高续航版本e6据说也是采用了LMFP材料才实现的82kWh。2016年超威创元提出的“五元材料”就是三元跟LMFP的混合。那么为何这些应用在当年没有掀起大的涟漪呢?主要是受限于以下几个问题:

       1)首先是材料特性,LMFP由于导电性差,几乎是绝缘体,而且锂离子扩散系数极低,即使采用碳包覆的方法,其材料的粒径也很小,基本不超过300nm.这就导致比表面积很大,材料生产过程难度就很大,很容易把设备堵塞住,其生产连续性以及产品质量都很难保证。

       2)其次是电池生产,由于LMFP材料粒径太小,比表面积大,生产过程中对于湿度的要求很高,很容易就团聚形成浆糊。所以匀浆涂布的良率跟质量也很难保证。即使采用跟三元混用的方式,原本是想让小颗粒的LMFP填充了大颗粒三元材料颗粒之间的空隙,提高压实密度。但事与愿违,实际出来的产品压实要比三元更低一些,也无法提高三元电池的比能量。

      3)最后是成本问题,由于上述的材料合成以及电芯加工过程中的问题,并且用量也不大,产业链不成熟,导致LMFP材料的成本高昂,价格基本是LFP的两倍了。当年BYD的e6补贴后的售价也要20多万,续航才440km,在当年也是很贵的,放到现在都能买一台Tesla Model 3了。

      以上几个问题,到了现在都得到了大幅度的改善。首先是CTP,刀片电池等结构上的创新,使得现在系统体积成组效率都达到了65~70%,电池包能量即使使用LFP也能达到60~70kWh.但这也使得LFP材料的应用触及到了天花板,行业内依然觊觎这种材料的安全性和低成本,在其基础上提升能量密度就又重新开启了对LMFP的研究。众人划桨开大船,有如此多的电池企业对LMFP进行产业化方面的优化改善,又经过了几年时间沉淀,难怪其规模应用即将呼之欲出了。

       在LMFP与三元混用领域,除了国轩发布的L600电池,早在 2018年,中国科学院宁波材料所和吉利集团旗下上海华普汽车有限公司共同开发的“磷酸锰铁锂-三元材料复合动力电池关键技术研发”项目就完成了科技成果鉴定:其中43Ah方形电池单体的能量密度达185Wh/kg,循环寿命达3500次;40Ah软包电池单体的能量密度达220Wh/kg,循环寿命达3500次;经第三方测试,主要技术指标符合项目合同指标要求,电池安全性均满足国标GB/T 31485-2015要求(包括针刺要求)。当时行业内普遍共识是LMFP与三元复合使用(且三元占比更高),来进一步提高能量密度,由于LMFP颗粒较小,混合使用的时候极片的横截面范围内大都是LMFP, 而不是三元材料,所以其针刺以及热安全依然是有保证的。

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      而主攻二轮车的星恒电源也是最早实现市场应用的企业之一,其在2020年底发布的超锂S7电池是LMFP/NCM/LMO几中材料的混合,兼顾了高安全,低成本,高低温的应用,虽然LMFP添加的比例还比较少。

     LMFP单独使用面临的挑战更大一些。在2021年初,锂盐价格还未大涨的时候,LMFP借着资本的入局,就开启了这一轮强势增长。尤其是在CATL提出的M3P概念带动下,各家动力电池企业的研究如火如荼的展开。进展最快的当属宁德时代,其M3P电池大概率在今年底应用到Tesla改款的Model 3车型中,将原有的60kWh提高到72kWh,以提高车辆的续航里程。国轩高科的这款L600产品也有望未来应用到大众旗下的电动汽车中,目前ID.4最高的84kWh版本可使用LMFP代替传统的NCM712(LG软包版本)或者NCM811(CATL方型铝壳版本),实现成本和安全的兼顾。上海车展上中航的LMFP OS电池,也能够替代现有广汽埃安的LFP电池,实现82kWh以上的能量。

      综上,在动力电池领域,未来LMFP电池有望全面取代现在的LFP以及三元:本来他就是LFP的能量密度升级版,安全成本都是优势。在能量密度方面,参考在特斯拉Model 3的提升,LMFP在B级车上能够实现72kWh的能量,考虑到国内很多车型电池包高度更高一些,目前中航给广汽提供的OS电池包LFP已经实现了70kWh,升级到LMFP可达84kWh,可以实现700km+的续航。这样看来以后LMFP可以在大部分纯电动汽车领域实现对三元以及LFP的取代:

       1) 在主流的A级车,B级车甚至C级车,都可以使用LMFP材料来满足能量跟续航。并且对于2.2C充电倍率以下的需求都能满足,基本上30万以内的车型LMFP几乎可以通吃。

       2) 而对于极少数性能车,包括4C快充的,800km以上超长续航的,三元还能保留一定的市场份额,但是不会太大,这类车一般价格都在30万以上。

        3) 对于A0以及A00级小车,这里面存在变数,如果钠电池能够降本成功,有可能LFP跟钠电混用(电压区间一致才可混用,LMFP不能跟钠电混用),来占领这部分市场,毕竟相关人群对于成本的变化比较敏感。

       对于PHEV和增程式车型,取决于各家的选择,毕竟这类车型功率和寿命很重要,目前LFP已经在攻城略地,功率型三元也还是主流,未来LMFP在这个市场的应用情况有待观察。

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       小结:LMFP材料的成功推出,会对目前动力电池行业产生深远影响。首先,LFP将会大量被LMFP取代,转而主攻储能市场,因为其超长循环寿命是LMFP无法企及的;其次,很多高端车型的三元电池版本也会被LMFP取代,比如Tesla Model 3长续航以及高性能版本78kWh, 而LMFP达到了72kWh, 以后长续航和标准续航都可以统一成LMFP,只有四驱高性能版本采用三元材料。由于其较高的适应性,未来可能70%以上的电动车都将使用LMFP电池,完成对LFP以及NCM应用的统一,以后不再有磷酸铁锂电池三元锂电池之争,只有磷酸锰铁锂电池笑傲江湖,钴奶奶以及妖镍都不再是制约锂电池发展的因素。而且由于LMFP的高安全性,目前能够生产LFP的企业都可以生产LMFP,市场竞争程度更加激烈,利于车企的供应链管理。相比而言,大容量三元电芯(>100Ah),国内也就CATL,中航以及EVE实现了较大规模的装机,垄断程度较高。值得一提的是,电瓶车领域LMFP电池也能够通过与其他材料混个完成升级换代,这样LFP以及钠离子电池就可以安心在储能市场应用,尤其是后者,必须大力发展来制约锂盐价格。

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