在2022世界動力電池大會上，寧德時代正式宣布了其最新研發的M3P電池將于明年投入使用，作為續航里程700km左右的純電汽車的電池系統。不過，寧德時代并未透露出更多消息，據傳該電池是基于磷酸鐵鋰電池基本結構的磷酸錳鐵鋰電池。

 

什么是M3P電池，或者什么是磷酸錳鐵鋰電池，相比于磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池有哪些不同呢？

 

1、

 

首先，我們來了解一下磷酸鐵鋰電池。

 

磷酸鐵鋰電池是一種鋰離子電池的變種，用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為電池正極材料，碳作為負極材料，以其高安全性、長循環壽命和較高的能量密度而受到廣泛關注和應用。

 

鋰離子電池工作時，涉及到正極、負極和電解液的相互作用。對于磷酸鐵鋰電池，在充電時，鋰離子被從構成正極材料的磷酸鐵鋰晶體的晶格中脫離出來，轉移到電解質中，其反應大致為：LiFePO4 ? Li+ + FePO4。與此同時，負極上的鋰離子被吸附至構成負極材料的石墨的層狀結構中，反應為：C + Li+ ? LiC。電解液由有機溶劑和鋰鹽混合物配制成，其中的鋰離子負責在充放電過程中維持正負極間的電荷平衡。放電時，過程與充電相反，正極材料中的鋰離子被重新嵌入至磷酸鐵鋰晶格中，負極上的鋰離子被釋放到電解液中。正負電荷間的電荷轉移在電路中產生電流，從而實現能量供應。

 

磷酸鐵鋰晶格的結構屬于正交晶系，采用鐵氧六面體結構，其中鐵離子（Fe2+）和鋰離子（Li+）位于六面體的頂點位置，磷酸根離子（PO43-）則位于六面體的中心位置，這種晶體結構被稱為橄欖石結構。磷酸鐵晶體結構中的磷酸根離子通過共享氧原子與鐵離子形成穩定的晶格，晶格中的鋰離子在充放電過程中通過晶格中的隧道進行離子傳導，這些隧道由六面體結構中的空隙和孔隙提供。

 

磷酸鐵鋰的晶格結構對其電化學性能具有重要影響，晶格結構的穩定性有助于抑制鋰離子的析出和電池內部反應的副作用，使磷酸鐵鋰電池的正極對溫度和電荷不敏感，因此使磷酸鐵鋰電池具有較高的熱穩定性和耐高溫特性，在高溫和過充過放的條件下更不易發生熱失控或爆炸，比其他類型的鋰離子電池具有更高的安全性。此外，晶格結構的穩定性有助于使電池在完全充放電后保持完好的晶格結構，讓磷酸鐵鋰電池擁有比其他類型的鋰離子電池更長的循環壽命。

 

但是磷酸鐵鋰電池的缺點也同樣明顯，橄欖石結構的晶格并未為鋰離子留出很大的空間，而且鋰離子的移動通道較為狹長，這兩點導致了磷酸鐵鋰電池的能量密度較低和大功率充放電性能較弱。

 

 

2、

 

了解了磷酸鐵鋰電池后，我們來了解一下三元鋰電池。

 

如同磷酸鐵鋰電池一樣，三元鋰電池也是一種采用鋰離子作為電荷載體的充電電池。其正極由三種不同的金屬元素氧化物，即三元組成，用于存儲和釋放鋰離子。常見的金屬氧化物組合有鎳鈷錳氧化物（NMC），或鎳鈷鋁氧化物（NCA）。三元鋰電池的負極材料也為石墨。

 

以正極組成為NMC的三元鋰電池為例，充電時，外部電源提供電流，正極材料中的鎳、錳、鈷氧化物釋放出氧化物中的鋰離子。其反應為：Li1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 ? Li+ + xLi1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2，x表示鋰離子的插入程度，0 ≤ x ≤ 1。同時，負極上的石墨材料吸收并嵌入鋰離子，其反應為：LiC6 ? Li+ + C6。放電時，過程與充電時相反，鋰離子重新插入到正極材料的晶格中，負極石墨中嵌入的鋰離子回到電解液中。

 

三元鋰電池的正極材料通常采用層狀結構，其中鎳、錳、鈷或鋁離子位于層狀氧化物的結構中，鋰離子排布在層狀結構之間。晶格結構通常屬于正交晶系，其中，鎳、錳、鈷或鋁離子以正四面體的方式占據晶格位置，而氧離子則位于正四面體之間的空隙中。

 

這種結構與上文提及的橄欖石結構特性恰好相反，層與層之間排布的鋰離子較橄欖石結構中嵌入的更多，在平面內鋰離子的移動空間更大，移動速度更快。所以，三元鋰電池的能量密度和快速充放電性能均優于磷酸鐵鋰電池。但是層狀結構的穩定性較差，層與層之間容易發生錯位、坍塌，所以三元鋰電池的長期循環壽命較低，安全性相比于磷酸鐵鋰電池較差。此外，由于三元鋰電池的正極材料含有鈷等稀有金屬，致使其成本相對較高。

 

 

3、

 

在我國電動汽車發展的初期，磷酸鐵鋰電池因其出色的安全性、較低的造價和相比傳統鉛酸蓄電池和其他鋰離子電池在當時較為可觀的能量密度（電芯約90Wh/kg），一直在各大新能源車企的產品中有廣泛應用，占據新能源汽車動力電池的市場主流，2015年甚至超過了市場份額的70%。

 

然而，2016年，國家新能源汽車補貼政策開始將電池能量密度作為參考指標，密度越高，補貼越多，當時的三元鋰電池的能量密度已經可以達到200Wh/kg以上。從此，能量密度更高的三元鋰電池開始占據市場主流，一度達到67%的市場份額。

 

直到2019年六月起，國家新能源政策補貼退坡，同時稀有金屬價格漲幅較大，造成了三元鋰電池成本居高不下。與此同時，磷酸鐵鋰電池經過多年深耕，其電池能量密度已經可以達到160Wh/kg，注意這里的能量密度是電池能量密度而非電芯能量密度，電池能量密度計算時還要包含管理模塊等的重量。所以，各大新能源廠商將目光重新瞄準了磷酸鐵鋰電池。

 

 

但是，經過多年發展，磷酸鐵鋰電池的能量密度已經接近天花板，想繼續提高能量密度，還是需要從優化正極材料下手。

 

4、

 

那么，是否存在一種電池，可以同時滿足低成本、高安全性和高能量密度呢？

 

我們再來回顧一下電池能量密度的計算：電池的能量密度等于電池儲存的能量除以電池單體或電池組的重量，而電池儲存的能量（Wh）等于電池的輸出電壓（V）與容量（Ah）的乘積。在磷酸鐵鋰電池已經可以做到低成本和高安全性的基礎上，提高電池單體的輸出電壓，就可以提升電池的能量密度。

 

具體如何做到呢？可以把一部分鐵原子替換成錳原子，這種電池也就是磷酸錳鐵鋰電池。

 

磷酸錳鐵鋰電池的正極材料由磷酸鐵鋰和錳酸鋰（LiMn2O4）兩種晶體構成，磷酸鐵鋰晶體可以保證其優異的安全性和循環壽命，而錳酸鋰中，錳離子具有多種氧化態，可以在電池充放電過程中進行可逆的氧化還原反應。錳酸鋰的晶體結構屬于尖晶石結構，由八面體的錳氧化物晶體和八面體的鋰離子組成，這種結構為鋰離子提供了較多的嵌入和釋放位置，從而可以增加電池的存儲容量。此外，錳酸鋰的氧化態能提供較高的電位，即正極的標準電極電勢相對較高。

 

較高的正極標準電極電勢，特殊的晶體結構和錳離子具有多種氧化態的特性，造就了磷酸錳鐵鋰電池更高的單體輸出電壓相。比于磷酸鐵鋰電池的3.2-3.4V，磷酸錳鐵鋰電池最高可以達到4.1V左右。單體電壓的提升，自然提高了電池的能量密度。磷酸錳鐵鋰電池可以達到200Wh/kg，已經可以媲美一些三元鋰電池，而成本要遠低于三元鋰電池。

 

5、

 

既然磷酸錳鐵鋰電池具有這么多優點，那為什么一直沒有大規模應用呢？

 

磷酸錳鐵鋰電池雖然相比磷酸鐵鋰電池只是加入了一部分錳，但其生產工藝變化很大，合成途徑、配方等都要改變，整個生產體系與磷酸鐵鋰電池差異巨大。此外，錳酸鋰晶體中錳-氧構成的八面體結構在充放電循環中容易出現晶格畸變，可能發生與三元材料類似的容量衰減。這個問題可以通過合金化、包覆等技術解決，但同樣需要投入巨大的研發成本。

 

市場因素也是影響磷酸錳鐵鋰電池大規模應用的一大壁壘。技術迭代需要一定的行業共識，在磷酸鐵鋰電池技術成熟、三元鋰電池補貼豐厚的條件下，磷酸錳鐵鋰電池并沒有其發展的土壤。

 

但是在如今磷酸鐵鋰電池達到技術天花板、三元鋰電池成本居高的市場環境下，發展與完善新技術就成為了各大新能源企業的共同選擇，也就有了磷酸錳鐵鋰電池技術發展的機會。

 

據《電動勢》了解，除了寧德時代的M3P電池之外，億緯鋰能、欣旺達等正極材料、電池供應商也在積極開發自己的磷酸錳鐵鋰電池。據傳聞，改款特斯拉Model 3/Y的標準續航版本都將換裝寧德時代M3P電池。

 

 

寧德時代力作，特斯拉率先常鮮，M3P電池市場爆發在即。