新能源电池新技术之一——磷酸锰铁锂：续航里程700km电动车“锰”想启航-财信证券.pdf-solarbe文库

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此报告仅供内部客户参考请务必阅读正文之后的免责条款部分证券研究报告新能源电池新技术之一磷酸锰铁锂续航里程 700km电动车“锰”想启航 2022 年 09 月 23 日评级领先大市评级变动维持行业涨跌幅比较 1M 3M 12M 新能源电池 -17.33 -10.60 -23.20 沪深 300 -6.04 -8.08 -19.20 周策分析师执业证书编号 S0530519020001 zhouce67hnchasing.com 杨鑫研究助理 yangxin13hnchasing.com 相关报告 1 新能源电池行业 9 月份月报动力电池盈利改善，储能赛道景气度高 2022-09-15 2 行业点评 8 月新能源汽车销量创历史新高，动力电池产量高增 2022-09-14 3 新能源车产销高增，零售渗透率达 26.32022-08-18 重点股票 2021A 2022E 2023E 评级 EPS（元） PE（倍） EPS（元） PE（倍） EPS（元） PE（倍）宁德时代 6.53 63.93 12.06 34.60 19.69 21.19 买入亿纬锂能 1.53 57.93 1.58 56.09 3.39 26.12 买入孚能科技 -0.89 -32.98 0.07 400.49 2.11 13.92 买入德方纳米 4.61 64.73 12.74 23.41 16.42 18.16 买入资料来源 iFinD，财信证券投资要点  磷酸铁锂电池需要从提升电压平台方向着手进行体系升级国内磷酸铁锂电池装车辆已经占据总装车辆的 62，而三元电池份额降低到了 38。在比容量接近理论极限的情况下，如果磷酸铁锂电池需要在保持现有安全性的前提下进行能量密度的进一步提升，则需要从提升材料的电压平台的方向上着手。  磷酸锰铁锂是磷酸铁锂的升级版在磷酸铁锂的基础之上掺杂一定的锰元素并调整其与铁的原子数量之比（锰铁比）以此提高材料的电压平台，便生成了磷酸锰铁锂 LMFP， LiMn1‑ xFexPO4产品，其中 X 是锰铁比，其与磷酸铁锂和磷酸锰锂的性质相似，较三元材料有更好的热稳定性、化学稳定性及经济性，同时又比磷酸铁锂的能量密度更高。  磷酸锰铁锂制备工艺与磷酸铁锂类似，但需要碳包覆等方法解决电导率低等问题磷酸锰铁锂材料中锰铁比例的不同，会导致材料的电化学性能和物理形态的差异。目前对于最佳的锰铁比没有统一的定论，锰铁比为 46 左右时具有较为理想的能量密度。磷酸锰铁锂与磷酸铁锂均属于磷酸盐系材料，因此制备工艺类似，可以分为液相法和固相法两大类。磷酸锰铁锂的缺陷包括导电性能和倍率性能差、双电压平台增加 BMS 难度、锰溶出影响电池循环性能，需要通过碳包覆、纳米化、离子掺杂等方法进行改善。  磷酸锰铁锂市场空间广阔磷酸锰铁锂电池安全性方面和磷酸铁锂相当，能量密度优于磷酸铁锂。在其规模化之后，单 Wh 成本也将优于磷酸铁锂，且能支持电动车续航里程超过 700公里，因此我们认为未来 700公里左右续航里程的中端电动车将会大规模应用磷酸锰铁锂电池。预计 2025年磷酸锰铁锂电池需求量为 234GWh，与之对应的磷酸锰铁锂正极材料的需求量为 46.8万吨，正极材料市场空间为 374.4亿元。  龙头电池厂商和正极材料厂商共同推进商业化德方纳米年产 11 万吨磷酸锰铁锂正极材料项目已于 9 月投产，宁德时代宣布 2023 年将 M3P 电池推向市场应用，我们认为 2023 年搭载磷酸锰铁锂电池的畅 -35 -15 5 25 2021-09 2021-12 2022-03 2022-06 2022-09 新能源电池沪深 300 行业深度新能源电池此报告仅供内部客户参考 -2- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告销款电动车将会面世，并推动磷酸锰铁锂电池广泛应用于注重各项性能均衡的中端车。  投资建议推荐关注【宁德时代】、【德方纳米】，建议关注【亿纬锂能】、【孚能科技】、【湘潭电化】、【天奈科技】。【宁德时代】电池龙头，研发实力雄厚，拥有最广泛的客户群体，计划 2023 年将 M3P 电池推向市场；【德方纳米】液相法正极材料领先企业，已投产年产 11 万吨磷酸锰铁锂正极材料，规划 2025年年产能达到 44 万吨；【亿纬锂能】二线电池龙头企业，技术实力强；【孚能科技】软包电池龙头公司，计划 2023年推出第一代磷酸锰铁锂产品；【湘潭电化】正极材料原材料锰盐供应商，电解二氧化锰年产能超 12万吨；【天奈科技】添加碳纳米管能改善锰铁锂导电性能，公司为全球最大碳纳米管生产商。  风险提示新技术验证和测试进展不及预期；新能源汽车销量不及预期；原材料大幅上涨；行业相关公司产能建设不及预期；行业竞争加剧。此报告仅供内部客户参考 -3- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告内容目录 1 正极材料锂离子电池性能与成本重要的决定因素 . 5 1.1 锂离子电池工作原理 5 1.2 正极材料是决定电池性能的重要因素 . 5 1.3 磷酸铁锂电池成为动力电池市场主流 . 6 1.4 电动车渗透率进一步提升需要电池技术的持续迭代 7 2 磷酸锰铁锂电池低成本，高电压 . 8 2.1 磷酸铁锂升级方案 8 2.2 磷酸锰铁锂与三元及磷酸铁锂的比较 . 8 3 磷酸锰铁锂材料开发与制备工艺 . 9 3.1 锰铁比例决定电化学性能 . 9 3.2 制备工艺与磷酸铁锂相似 . 10 3.3 磷酸锰铁锂的三大缺陷 . 11 3.3.1 导电性能和倍率性能差 11 3.3.2 双电压平台增加 BMS 难度 . 11 3.3.3 锰溶出影响电池循环性能 12 3.4 磷酸锰铁锂技术改性方案 . 12 3.4.1 碳包覆 . 12 3.4.2 离子掺杂 . 13 3.4.3 纳米化 . 14 4 磷酸锰铁锂电池应用市场广泛 14 4.1 续航 700km的中端车有望大规模应用 14 4.2 市场空间测算 . 15 5 电池厂商和材料厂商共同推进磷酸锰铁锂的商业化 . 15 5.1 宁德时代 M3P 电池即将推向市场 16 5.1.1 公司整体经营情况电池龙头，动力电池市占率 34.8. 16 5.1.2 磷酸锰铁锂电池布局情况提前布局产业链， 2023年 M3P 电池推向市场 17 5.2 德方纳米年产 11 万吨 LFMP 正极材料项目已投产 17 5.2.1 公司整体情况深耕锂电材料产业 15 年 . 17 5.2.2 磷酸锰铁锂布局情况年产 11 万吨正极材料项目已投产， 25 年产能达 44 万吨 /年 18 6 投资建议 19 7 风险提示 20 图表目录图 1锂离子电池工作原理图 . 5 图 2中国各体系动力电池装车量占比 . 7 图 3中国新能源汽车月销量和渗透率 . 7 图 4中国月度新能源汽车销量（万辆） . 7 图 5磷酸锰铁锂 LMFP， LiMn1‑ xFexPO4结构示意图 . 8 图 6不同锰铁比例下放电电压平台对比 . 10 图 7 1C 电流下不同锰铁比例下循环寿命曲线 . 10 图 8磷酸锰铁锂充放电曲线具有双电压平台 12 此报告仅供内部客户参考 -4- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告图 9磷酸铁锂 -碳复合材料 SEM 图 . 13 图 10不同碳含量下倍率性能情况 13 图 11碳包覆示意图 . 13 图 12不同粒径磷酸锰铁锂低温容量衰减情况对比 . 14 图 13宁德时代单季度营收情况 . 16 图 14宁德时代单季度毛利率和净利率情况 16 图 15宁德时代新技术布局 17 图 16宁德时代 M3P 电池 17 图 17德方纳米单季度营收情况 . 18 图 18德方纳米单季度毛利率和净利率情况 18 图 19德方纳米磷酸锰铁锂投产仪式现场 . 19 图 20磷酸锰铁锂材料实物照片 . 19 表 1传统正极材料对比 6 表 2磷酸锰铁锂与三元及磷酸铁锂对比 . 9 表 3磷酸锰铁锂性能和锰掺杂比例的关系 10 表 4磷酸锰铁锂材料主要主备方法 .11 表 5正极材料锂离子扩散速率和导电率参数对比 11 表 6磷酸锰铁锂材料原材料成本测算 . 15 表 7磷酸锰铁锂市场空间测算 . 15 此报告仅供内部客户参考 -5- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告 1 正极材料锂离子电池性能与成本重要的决定因素 1.1 锂离子电池工作原理锂离子电池是一种“摇椅”电池锂离子电池是一种锂离子电池是一种在储能领域、动力电池及便携式电子设备中均得到广泛应用的一种储能器件，其具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染及自放电小等优点，是目前综合性能最好的电池产品，也是可适用范围最广的电池产品。锂离子电池由正极、负极、电解液、隔离膜等其他部分组成，其工作原理为锂离子充放电过程中，锂离子在正负极之间嵌入和脱出，同时伴随着电子在外电路中进行移动而形成外部电路的电流。充电时，电池正极生成锂离子，经过电解液移动到负极并嵌入到负极碳层的微孔中。放电时，嵌在负极的锂离子经过电解液移动回到正极。图 1锂离子电池工作原理图资料来源钜大锂电，财信证券 1.2 正极材料是决定电池性能的重要因素正极材料是锂离子的来源，决定锂离子电池的性能。正极材料是锂电池电化学性能的决定性因素，直接决定电池的能量密度及安全性，进而影响电池的综合性能。另外，由于正极材料在锂电池材料成本中所占的比例超过 40，其成本也直接决定了电池整体成本的高低，因此正极材料在锂电池中具有举足轻重的作用，并直接引领了锂电池产业的发展。锂电池一般按照正极材料体系来划分，可以分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等多种技术路线。其中，钴酸锂正极材料作为第一代商品化的锂电池正极材料，具有电化学性能较好、加工性能优异、比容量相对较高的优点，在小型充电电池中应用广泛。但钴酸锂材料成本高（金属钴价格昂贵）、循环寿命低、安全性能差，近年来被三元此报告仅供内部客户参考 -6- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告正极材料替代部分市场份额。在超薄电子产品领域，因钴酸锂体积能量密度及倍率性能好等优势还无法实现替代。预计未来钴酸锂正极材料会朝高压实性和高安全性的方向发展。而锰酸锂是除钴酸锂之外研究最早的锂电池正极材料，相比钴酸锂，具有资源丰富、成本低、无污染、安全性能好、倍率性能好等优点。但其较低的比容量、较差的循环性能，特别是高温循环性能较差使其应用受到了较大的限制。锰酸锂电池将主要在物流车，以及在注重成本、对续航里程要求相对低的微型乘用车领域具有一定市场份额。目前应用最为广泛的正极材料则是磷酸铁锂和三元材料，其中三元材料能量密度高、电化学性能好，目前通常在乘用车领域尤其是长续航、高性能乘用车应用最为广泛。磷酸铁锂则具有安全性高、成本低等优点，在电化学储能领域和商用车领域应用较多，同时随着系统结构的优化，磷酸铁锂电池越来越多地应用于中端乘用车（如特斯拉 Model 3 和 Model Y的后轮驱动版）。表 1 传统正极材料对比项目钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂三元材料镍钴锰酸锂镍钴铝酸锂比容量 mAh/g 140-150 100-120 130-140 150-220 180-220 循环寿命（次） 500-1,000 500-1,000 2,000 1,500-2,000 1,500-2,000 安全性适中较好好较好较好成本高低低较低较低优点充放电稳定、工艺简单锰资源丰富、成本低、安全性能好成本低、高温性能好电化学性能好、循环性能好、能量密度高高能量密度、低温性能好缺点钴价格昂贵能量密度低低温性能差部分金属价格昂贵部分金属价格昂贵电池产品特点体积能量密度高、成本高、安全性较差，适用高端数码成本低、能量密度低，适用低端数码、电动自行车安全性好、循环寿命长，适用客车电池综合性能较好，适用各类数码产品与乘用车电池综合性能较好，适用各类数码和乘用车电池资料来源容百科技招股说明书，财信证券 1.3 磷酸铁锂电池成为动力电池市场主流磷酸铁锂电池成为市场主流 2021 年以前，三元电池得益于能量密度高等优势，在动力电池市场占据了绝对的优势，在 2019 年 6 月份，中国三元电池装车辆占了总装车辆的 70以上，而磷酸铁锂只有仅仅 27的份额。 2022 年 8 月，中国磷酸铁锂电池装车辆已经占据总装车辆的 62，而三元电池份额降低到了 38。我们认为主要原因是 1）大电芯设计方案和系统结构的优化将磷酸铁锂电池的能量密度有效提高，装备磷酸铁锂电池的新能源车续航能够达到 500km 以上，基本满足城市通勤和短途旅行的需求； 2）当续航里程达到 500km 左右时，大家更关注电池的安全性能而不是续航里程更极限的提升，此报告仅供内部客户参考 -7- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告而磷酸铁锂电池较三元电池拥有更好的安全性能。图 2 中国各体系动力电池装车量占比资料来源同花顺 iFinD，财信证券 1.4 电动车渗透率进一步提升需要电池技术的持续迭代磷酸铁锂电池需要提升电压来支撑高渗透率随着国家政策的支持和电动车产品力的不断提升，中国的电动车渗透率已经由 2017 年年初的 0.91提升到了 2022 年 8 月的 27.95。我们认为，渗透率的进一步提升驱动力将主要来源于电池技术的持续进步，尤其是需要高安全、高能量密度的电池技术。然而，随着设计上的持续优化，磷酸铁锂作为当前最受欢迎的电池正极材料，其比容量基本已经到达了材料极限，电芯和系统的设计优化也已经逐步接近极限。因此，在比容量一定的情况下，如果磷酸铁锂电池需要在保持现有安全性的前提下进行能量密度的进一步提升，则需要从提升材料的电压平台的方向上着手。图 3中国新能源汽车月销量和渗透率图 4 中国月度新能源汽车销量（万辆）资料来源同花顺 iFinD，财信证券资料来源同花顺 iFinD，财信证券 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 20 -08 20 20 -09 20 20 -10 20 20 -11 20 20 -12 20 21 -01 20 21 -02 20 21 -03 20 21 -04 20 21 -05 20 21 -06 20 21 -07 20 21 -08 20 21 -09 20 21 -10 20 21 -11 20 21 -12 20 22 -01 20 22 -02 20 22 -03 20 22 -04 20 22 -05 20 22 -06 20 22 -07 20 22 -08 磷酸铁锂三元其他 0 5 10 15 20 25 30 0 10 20 30 40 50 60 70 新能源汽车月销量 /万辆新能源汽车渗透率 0 20 40 60 80 2017 2018 2019 2020 2021 2022 此报告仅供内部客户参考 -8- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告 2 磷酸锰铁锂电池低成本，高电压 2.1 磷酸铁锂升级方案磷酸锰铁锂是升级版磷酸铁锂当前可行性相对较高的磷酸铁锂升级方案即为磷酸锰铁锂方案，此方案是在磷酸铁锂的基础之上掺杂一定的锰元素并调整其与铁的原子数量之比（锰铁比）以此提高材料的电压平台，而磷酸锰铁锂 LMFP， LiMn1‑ xFexPO4就是磷酸铁锂升级后的产品，其中 X 是锰铁比，其与磷酸铁锂和磷酸锰锂的性质相似，较三元材料有更好的热稳定性、化学稳定性及经济性，同时又比磷酸铁锂的能量密度更高。图 5磷酸锰铁锂 LMFP， LiMn1‑ xFexPO4结构示意图资料来源磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电化学性能研究，财信证券 2.2 磷酸锰铁锂与三元及磷酸铁锂的比较与磷酸铁锂相比，磷酸锰铁锂电压平台、能量密度更高。相较于磷酸铁锂，磷酸锰铁锂拥有更高的电压平台，磷酸锰铁锂电压可以达到 4.1V左右，而磷酸铁锂在 3.4‑ 3.5V 左右，两者有着相同的理论克容量，因电压更高，因此在相同条件下磷酸锰铁锂理论能量密度比磷酸铁锂高 15‑ 20％。在成本方面，磷酸锰铁锂的成本与磷酸铁锂相当，具备较好的经济性。与三元材料相比，磷酸锰铁锂安全性更高，成本更低。相较于三元材料的层状结构，磷酸盐系材料的橄榄石型结构额外增加结构支撑，因此充放电锂离子嵌入和脱出过程中不易发生结构崩塌，同时磷酸锰铁锂中 P 原子通过 P-O 强共价键形成 PO4 四面体， O 原子很难从结构中脱出，这使得磷酸锰铁锂具备热稳定性好、安全性高、使用寿命长的优点。同时，磷酸锰铁锂避免了使用贵金属，因此成本低于三元材料。此报告仅供内部客户参考 -9- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告表 2 磷酸锰铁锂与三元及磷酸铁锂对比项目三元材料 NCM 磷酸铁锂磷酸锰铁锂化学式 LiNixCoyMnzO2 LiFePO4 LiMn1‑ xFexPO4 结构类型层状结构橄榄石结构橄榄石结构理论比容量（ mAh/g） 273-285 170 170 实际比容量（ mAh/g） 155-220 130-140 130-140 理论电压平台（ V） 3.7 3.4 4.1 压实密度（ g/cm3） 3.4-3.9 2.1-2.6 2.3-2.5 循环寿命（次） 800-2000 2000 2000 理论能量密度（ Wh/kg） 1000 578 697 实际能量密度（ Wh/kg） 180-300 100-200 高于磷酸铁锂低温性能好一般略好于磷酸铁锂高温性能一般好略差于磷酸铁锂安全性一般好好材料成本较高低低资料来源磷酸铁锰锂材料的制备与性能研究，锂电池基础科学，财信证券 3 磷酸锰铁锂材料开发与制备工艺 3.1 锰铁比例决定电化学性能磷酸锰铁锂材料中锰铁比例的不同，会导致材料的电化学性能和物理形态的差异。随着锰离子比例的提升，电池的电压和能量密度能够得到相应的提升，但是同时材料会出现大量的缺陷和孔隙，没有完全形成均一的固溶体，大量的缺陷和孔隙极有可能延长锂离子的嵌入迁出，降低离子迁移速率。这意味着在电压平台更高的同时，低导电率、与电解质副反应等问题也越来越严重，从而导致电池循环性能变差。另一方面，铁含量提升能够带动锂电池导电性和倍率性能的提高，然而过多的铁元素掺杂会使磷酸锰铁锂电压提升效果有限从而导致能量密度较磷酸铁锂优势不明显。目前对于最佳的锰铁比没有统一的定论，锰铁比为 46 左右时具有较为理想的能量密度。对于固态制备方法，当锰含量增加至 0.8-1.0 时，虽然放电中压能接近 4.0V，但是放电比容量会出现大幅衰减，从而导致实际能量密度反而出现下降。当锰含量为 0.4 时，尽管放电中压仅为 3.48V，但是克容量不会出现明显衰减，从而其实际能量密度能够达到相对最优的 557Wh/kg。此报告仅供内部客户参考 -10- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告表 3 磷酸锰铁锂性能和锰掺杂比例的关系 LiMnxFe1-xPO4。放电比容量 mAh/g）放电中压 V 实际能量密度 Wh/Kg x0 161.0 3.41 534.9 x0.2 161.7 3.44 553.5 x0.4 157.4 3.48 557.0 x0.6 142.4 3.65 515.8 x0.8 126.3 3.96 459.9 x1 63.0 3.95 230.6 资料来源橄榄石型锂离子电池正极材料的制备技术及电池特性研究，财信证券图 6不同锰铁比例下放电电压平台对比图 7 1C电流下不同锰铁比例下循环寿命曲线资料来源橄榄石型锂离子电池正极材料的制备技术及电池特性研究，财信证券资料来源碳掺杂的磷酸锰铁锂锂离子电池正极材料的制备和改性研究，财信证券 3.2 制备工艺与磷酸铁锂相似磷酸锰铁锂与磷酸铁锂均属于磷酸盐系材料，因此制备工艺类似，可以分为液相法和固相法两大类。固相法是传统的材料制备方法，其包括高温固相法和碳热还原法等，优点是工艺简单同时易于大规模生产，缺点是混合均匀性较差、不易控制材料粒径的分布和形貌。而液相法则包括溶剂热法、共沉淀法、溶胶凝胶法等，优点是材料组分分布均匀，可以有效防止富锰相的聚集。此报告仅供内部客户参考 -11- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告表 4 磷酸锰铁锂材料主要主备方法工艺类别制备方法制备流程优势劣势代表企业固相法高温固相法将铁源、磷源、锰源、锂源均匀混合，然后在惰性气体环境中煅烧，最后研磨粉碎。工艺简单、成熟，易于大规模生产混合均匀性差，不易控制材料粒径的分布和形貌比亚迪、斯科兰德液相法溶剂热法将原料溶于溶剂中进行混合，然后在反应釜中进行反应，最后干燥、煅烧。材料组分混合均匀需要高温高压环境，工业化难度大宁德时代、德方纳米溶胶凝胶法将原料溶于溶剂中并加入催化剂，发生缩合反应，形成稳定的溶胶体系，经陈化后而产生湿凝胶，经过干燥、煅烧固化可以得到纳米级别的材料。材料颗粒小且分布均匀，纯度高操作复杂德方纳米共沉淀法将原料溶解于溶剂中并加入共沉淀剂得到沉淀，离心分离后得到前驱体，然后经过干燥、焙烧等步骤得到成品。合成工艺简单、混合均匀、热处理温度低、周期短纳米级沉淀过滤困难、离子行为复杂、控制结晶难度大和废液需要处理力泰锂能、当升科技、比亚迪资料来源磷酸锰铁锂基正极材料的组成调控、制备优化与电学性能，磷酸锰铁锂正极材料电化学性能研究，磷酸铁锰锂正极材料的制备及性能研究进展，财信证券 3.3 磷酸锰铁锂的三大缺陷 3.3.1 导电性能和倍率性能差磷酸锰铁锂的材料晶体结构特性决定了其导电性能和倍率性能较差。磷酸锰铁锂具有橄榄石型结构，该结构最大的优势是稳定性高，即使在充电过程中锂离子全部脱出，也不会发生结构崩塌，因此安全性能好。但是， FeO6和 MnO6位于八面体上，不存在连续的 FeO6（ MnO6）共棱八面体网络，而是通过 PO4四面体连接，这使得其导电性很差。与此同时， PO4 四面体位于 FeO6（ MnO6）八面体之间，阻塞了锂离子扩散通道，限制锂离子仅能在一维通道中运动，导致锂离子的扩散速率比较低，表现出较差的倍率性能。这些缺点导致磷酸锰铁锂无法完全发挥其电化学性能，也限制了其进一步的大规模商业应用。表 5正极材料锂离子扩散速率和导电率参数对比参数磷酸锰铁锂磷酸铁锂三元锰酸锂锂离子扩散速率（ cm2/S） 10-15 10-14 10-9 10-10 电导率（ S/cm） 10-13 10-9 10-3 10-6 资料来源磷酸锰铁锂复合三元体系及对复合方式的研究，财信证券 3.3.2 双电压平台增加 BMS 难度磷酸锰铁锂充放电存在两个电压平台，增加了电池管理系统的难度。由于锰、铁的充放电电压不同，磷酸锰铁锂充放电存在两个电压平台，对应锰与铁的氧化还原，在 3.5V 附近的平台为 Fe2转化为 Fe3，在 4.1V 附近对应 Mn2转化为 Mn3。此报告仅供内部客户参考 -12- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告图 8磷酸锰铁锂充放电曲线具有双电压平台资料来源橄榄石型锂离子电池正极材料的制备技术及电池，财信证券 3.3.3 锰溶出影响电池循环性能锰离子的姜泰勒（ John-Teller）效应导致锰溶出，降低电池的循环寿命。由于姜泰勒（ John-Teller）效应的存在， Mn3富集于正极颗粒表面，扭曲 MnO6八面体，导致晶格畸变和结构稳定性降低，影响稳定性和循环性。与此同时，溶解的锰离子会在负极发生还原反应析出，对 SEI 膜造成破坏，致使更多的活性锂在 SEI 膜修复的过程中被消耗掉，从而影响电池的循环寿命。 3.4 磷酸锰铁锂技术改性方案 3.4.1 碳包覆碳包覆能有效提升材料导电性能和循环性能。将导电材料包覆在磷酸锰铁锂材料表面能够构建导电网络，增加材料的导电性能和电池的倍率性能。此外，碳包覆可以有效阻止磷酸锰锂颗粒进一步长大以及阻止电解液中 HF 对正极材料的侵蚀作用，提高正极材料的循环性能。选择合适的碳含量在碳包覆过程中较为重要，过高的碳含量会使材料的克容量大幅下降，而过低的碳含量无法有效提高材料的导电性能和电池的倍率性能。通常碳包覆过程为将原材料与碳源球磨混合，然后在高温下进行煅烧形成碳包覆层，其中常见的碳源包括蔗糖、葡萄糖等。此报告仅供内部客户参考 -13- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告图 9磷酸铁锂 -碳复合材料 SEM 图资料来源专利 CN110323434A，财信证券图 10不同碳含量下倍率性能情况图 11 碳包覆示意图资料来源不同碳含量包覆磷酸锰铁锂正极材料的研究，财信证券资料来源改进高温固相法制备磷酸锰铁锂正极材料，财信证券 3.4.2 离子掺杂离子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，并可抑制姜泰勒（ John-Teller）效应，从而提高材料性能。常见的掺杂元素包括 Mg、 Co、 Ni、 Cr、 Zn、 Cu、 V、 Ti、 Zr、 Nb。目前来看，掺杂 Mg2的方法应用和研究最为广泛，由于 Mg2的半径小于 Mn 和 Fe，因此磷酸锰铁锂橄榄石结构中 LiO6 八面体的 Li-O 共价键键长变长，较大间隙有利于锂离子迁移，提升了材料的导电性能，也有利于材料容量的发挥。同时，镁离子大小介于二价锰离子和三价锰离子之间，可过渡二价锰到三价锰的转化，从而锰元素价态转换造成的结构坍塌问题可以得到缓解，材料结构变得更加稳固，锰溶出得到有效抑制。此报告仅供内部客户参考 -14- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告 3.4.3 纳米化纳米化通过减小材料晶体粒径改善倍率性能和其他电化学性能。纳米化通过机械球磨、控制煅烧温度等方法来减小材料晶体粒径，从而缩短锂离子扩散路径，锂离子迁移的效率得到提升，从而提升了材料的倍率性能。减小晶体粒径的同时，材料的比表面积得到提升，从而增大与电解液的接触界面，电极界面阻抗降低，从而电化学性能也能得到相应的改善。图 12 不同粒径磷酸锰铁锂低温容量衰减情况对比资料来源混合正极中 LiMn0.7Fe0.3PO4粒径对锂离子电池性能的影响，财信证券 4 磷酸锰铁锂电池应用市场广泛 4.1 续航 700km的中端车有望大规模应用磷酸锰铁锂电池能够支持电动车续航达到 700 公里。近期发布的搭载磷酸铁锂电池的问界 M5 EV标准版 CLTC 续航里程已经可以达到 620 公里，而磷酸锰铁锂电池在保证安全性的前提下，能量密度相较磷酸铁锂将会进一步提升。未来磷酸锰铁锂体系加上 CTP、 CTC 等系统成组效率的持续优化，我们认为对应的电动车续航里程能够超过 700 公里。磷酸锰铁锂单 Wh 成本低于磷酸铁锂。根据物料平衡法则和部分磷酸铁锂和磷酸锰铁锂项目环评报告的数据，在供应链成熟的情况下，我们测算出来磷酸锰铁锂的原材料成本比磷酸铁锂原材料成本高 1以下（碳酸锂价格为 50 万元 /吨的情况下）。由于两种材料之间的生产工艺存在很大的相似性，在未来磷酸锰铁锂生产规模足够大的情况下，我们认为两种材料的人工成本、能耗成本、设备折旧成本均会在同一水平。因此，两种材料的单吨成本基本在同一水平，而磷酸锰铁锂有更高的能量密度，从而磷酸锰铁锂的此报告仅供内部客户参考 -15- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告单 Wh 成本会低于磷酸铁锂成本 5-15。续航 700 公里的电动车有望规模应用。综上来看，磷酸锰铁锂电池安全性方面和磷酸铁锂相当，能量密度优于磷酸铁锂。在其规模化之后，单 Wh 成本也将优于磷酸铁锂，且能支持电动车续航里程超过 700 公里，我们认为未来 700 公里左右续航里程的中端电动车将会大规模应用磷酸锰铁锂电池。表 6磷酸锰铁锂材料原材料成本测算项目名称单耗单位（ /吨）单耗单价 LMFP单吨材料成本（万元）碳酸锂吨 0.25 50 12.5000 铁块吨 0.36 2.4 0.8640 二氧化锰吨 0.55 0.23 0.1265 硝酸吨 0.94 0.23 0.2162 磷酸二氢铵吨 0.58 0.28 0.1624 葡萄糖千克 120 3.7 0.0444 其他物料 0.0026 合计 13.9161 资料来源德方纳米环评书，财信证券注部分原材料价格取自 2022 年 9 月 20 日报价数据 4.2 市场空间测算我们认为未来磷酸锰铁锂的市场主要为动力电池市场，且主要应用车型为续航 700 公里左右的兼顾经济性、安全性的中端电动车。假设 2025 年磷酸锰铁锂电池在动力电池中的渗透率达到 18，那么对应磷酸锰铁锂电池需求量为 234GWh，与之对应的磷酸锰铁锂正极材料的需求量为 46.8 万吨。假设 2025 年碳酸锂价格回落至 20 万元 /吨，对应的磷酸锰铁锂正极材料价格为 8万元 /吨时，则 2025年磷酸锰铁锂正极材料市场空间为 374.4 亿元。表 7 磷酸锰铁锂市场空间测算 2022 2023 2024 2025 动力电池需求量（ GWh） 518 761 988 1300 LFMP 渗透率 0.00 3.00 7.00 18.00 LFMP 电池需求量（ GWh） 0.00 22.83 69.16 234.00 LFMP 掺杂比例 100 100 100 100 锰铁比例 60 60 60 60 每 GWh 电池 LFMP 需求量（万吨） 0.2 0.2 0.2 0.2 LFMP 材料需求量（万吨） 0 4.566 13.832 46.8 Mn 需求量（万吨） 0 0.96 2.90 9.83 资料来源 GGII，财信证券 5 电池厂商和材料厂商共同推进磷酸锰铁锂的商业化此报告仅供内部客户参考 -16- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究报告 5.1 宁德时代 M3P电池即将推向市场 5.1.1 公司整体经营情况电池龙头，动力电池市占率 34.8 新能源电池龙头企业， 2022 年二季度利润修复明显公司为全球新能源电池龙头企业，二季度实现营业收入 642.93 亿元，同比增长 158.12，环比一季度增长 32.08；实现归母净利润 66.75 亿元，同比增长 163.91，环比增长 347.16，业绩环比一季度大幅好转。公司二季度毛利率 21.84，环比增长 7.36 pcts，净利率 11.97，环比增长 7.91 pcts。我们认为盈利修复的原因主要是 1）公司二季度开始向下游客户的涨价机制陆续落地，传导了碳酸锂价格上涨造成的成本压力。 2）二季度部分原材料价格开始出现下滑，同时公司开始向上游议价，原材料成本下降。图 13宁德时代单季度营收情况图 14宁德时代单季度毛利率和净利率情况资料来源同花顺 iFinD，财信证券资料来源同花顺 iFinD，财信证券全球市占率 34.8，海外客户持续突破公司动力电池使用量连续 5 年位列全球第一， 2022 年上半年全球市占率达 34.8，比去年同期增长 6.2pcts。公司前期取得的海外动力电池客户定点实现大规模量产交付，在产品、技术、交付与服务方面持续获得海外客户认可。公司海外客户合作深化，福特汽车宣布与公司建立全球战略合作关系，合作内容涵盖在中国、欧洲和北美的动力电池供应。同时，公司还拟在欧洲匈牙利投资建设电池工厂，进一步完善全球战略布局。技术领先，研发投入高增公司持续加大研发投入， 2022 年上半年研发费用投入达 57.7 亿元，同比增长 106.5。动力电池方面， 2.2C 快充三元产品国内首家在乘用车上得到应用， AB 创新成组方式批量推广；储能电池方面，基于长寿命电芯技术、液冷 CTP 电箱技术推出的户外预制舱系统 EnerC批量交付超过 4GWh。在电池系统结构创新方面，公司发布第三代 CTP 麒麟电池，系统集成度创全球新高，体积利用率突破 72，能量 -50 0 50 100 150 200 250 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 单季度营业总收入单季度营收增长率（）单位亿元 0 5 10 15 20 25 30 35 单季度毛利率单季度净利率此报告仅供内部客户参考 -17- 请务必阅读正文之后的免责条款部分行业研究