M3P电池与磷酸铁锂电池有什么区别?

自去年以来，一些媒体称，宁德时报的M3P电池正处于研发过程中，其能量密度高于磷酸铁锂电池，安全性优于三元锂电池。

在2022年世界动力电池大会上，宁德时报正式宣布，其最新开发的M3P电池将于明年投入使用，作为纯电动汽车的电池系统，里程约为700公里。然而，宁德时报没有透露更多信息。据说该电池是一种基于磷酸铁锂电池基本结构的磷酸锰铁锂电池。

什么是M3P电池，什么是磷酸锰铁锂电池，与磷酸铁锂电池和三元锂电池有什么区别？

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首先，让我们了解磷酸铁锂电池。

磷酸铁锂电池是锂离子电池的一种变体。磷酸铁锂(LiFePO4)作为电池的正极材料，碳作为负极材料，以其安全性高、循环寿命长、能量密度高而受到广泛关注和应用。

锂离子电池涉及正极、负极和电解质的相互作用。对于磷酸铁锂电池，当充电时，锂离子从形成正极材料的磷酸铁锂晶体晶格中分离出来，转移到电解质中，其反应大致为：LiFePO4 ⇌ Li FePO4。与此同时，负极上的锂离子被吸附到形成负极材料的石墨层状结构中，反应如下：C Li ⇌ LiC。电解液由有机溶剂和锂盐混合物制成，锂离子负责在充放电过程中保持正负极之间的电荷平衡。与充电相反，正极材料中的锂离子被重新嵌入磷酸铁锂晶格中，负极上的锂离子被释放到电解液中。正负电荷之间的电荷转移在电路中产生电流，从而实现能源供应。

磷酸铁锂晶格的结构属于正交晶体系，采用铁氧六面体结构，其中铁离子(Fe2 ）和锂离子（Li ）磷酸根离子(PO43-)位于六面体的中心，被称为橄榄石结构。磷酸铁晶体结构中的磷酸根离子通过共享氧原子和铁离子形成稳定的晶格，晶格中的锂离子在充放电过程中通过晶格中的隧道传导，由六面体结构中的间隙和孔隙提供。

磷酸铁锂晶格结构对其电化学性能有重要影响。晶格结构的稳定性有助于抑制锂离子沉淀和电池内部反应的副作用，使磷酸铁锂电池的正极对温度和电荷不敏感。因此，磷酸铁锂电池具有较高的热稳定性和耐高温性，在高温和过充过放的条件下不易发生热失控或爆炸，比其他类型的锂离子电池具有更高的安全性。此外，晶格结构的稳定性有助于使电池在充放电后保持完好的晶格结构，使磷酸铁锂电池比其他类型的锂离子电池具有更长的循环寿命。

然而，磷酸铁锂电池的缺点也很明显。橄榄石结构的晶格没有给锂离子留下很大的空间，锂离子的移动通道相对狭窄和长，导致磷酸铁锂电池能量密度低，大功率充放电性能弱。

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了解磷酸铁锂电池后，我们来了解一下三元锂电池。

像磷酸铁锂电池一样，三元锂电池也是一种以锂离子为电荷载体的充电电池。它的正极由三种不同的金属氧化物组成，即三元，用于储存和释放锂离子。常见的金属氧化物组合包括镍钴锰氧化物（NMC），或镍钴铝氧化物（NCA）。石墨也是三元锂电池的负极材料。

以NMC三元锂电池为例。充电时，外部电源提供电流，正极材料中的镍、锰和钴氧化物释放氧化物中的锂离子。它的反应是:Li1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2 ⇌ Li   xLi1-x(Ni1/3Mn1/3Co1/3)O2，x表示锂离子的插入程度，0 ≤ x ≤ 1。与此同时，负极上的石墨材料被吸收并嵌入锂离子中，其反应是：LiC6 ⇌ Li   C6。在放电过程中，与充电过程相反，锂离子再次插入正极材料的晶格中，嵌入在负极石墨中的锂离子回到电解液中。

三元锂电池的正极材料通常采用层状结构，其中镍、锰、钴或铝离子位于层状氧化物结构中，锂离子位于层状结构之间。晶格结构通常属于正交晶体系统，其中镍、锰、钴或铝离子以正四面体的形式占据晶格位置，而氧离子位于正四面体之间的间隙中。

这种结构与上述橄榄石的结构特性正好相反。层与层之间的锂离子比橄榄石结构中嵌入的锂离子更多，平面上的锂离子移动空间更大，移动速度更快。因此，三元锂电池的能量密度和快速充放电性能均优于磷酸铁锂电池。但层状结构稳定性差，层间容易错位坍塌，三元锂电池长期循环寿命低，安全性差于磷酸铁锂电池。此外，由于三元锂电池的正极材料含有钴等稀有金属，其成本相对较高。

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在我国电动汽车发展初期，与传统铅酸电池和其他锂离子电池相比，磷酸铁锂电池具有优异的安全性、低成本和相当大的能量密度(电池约90Wh/kg），广泛应用于各大新能源汽车企业的产品，占据了新能源汽车动力电池的市场主流，2015年甚至超过了市场份额的70%。

然而，2016年，国家新能源汽车补贴政策开始以电池能量密度为参考指标。密度越高，补贴越多。当时，三元锂电池的能量密度可达200Wh/kg以上。从那时起，能量密度较高的三元锂电池开始占据主流市场，一度达到67%的市场份额。

直到2019年6月，国家新能源政策补贴下降，稀有金属价格大幅上涨，导致三元锂电池成本居高不下。同时，经过多年的深耕，磷酸铁锂电池的能量密度可达160Wh/hkg，请注意，这里的能量密度是电池能量密度，而不是电池能量密度。计算电池能量密度时，还应包含管理模块的重量。因此，主要的新能源制造商将重新关注磷酸铁锂电池。

然而，经过多年的发展，磷酸铁锂电池的能量密度已接近天花板。为了继续提高能量密度，我们仍然需要从优化正极材料开始。

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那么，是否有能同时满足低成本、高安全性和高能量密度的电池呢？

让我们回顾一下电池能量密度的计算：电池的能量密度等于电池储存的能量除以电池单体或电池组的重量，而电池储存的能量（Wh）等于电池的输出电压（V）与容量（Ah）乘积。在磷酸铁锂电池成本低、安全性高的基础上，提高电池单体的输出电压，提高电池的能量密度。

具体怎么做？部分铁原子可以用锰原子代替，即磷酸锰铁锂电池。

磷酸锰铁锂电池的正极材料由两种晶体组成：磷酸铁锂和锰酸锂（Limn2o4）。磷酸铁锂晶体能保证其优异的安全性和循环寿命。在锰酸锂中，锰离子具有多种氧化态，在电池充放电过程中可逆氧化还原反应。锰酸锂的晶体结构属于由锰氧化物晶体和锂离子组成的尖晶石结构，为锂离子提供了更多的嵌入和释放位置，从而增加了电池的存储容量。另外，锰酸锂的氧化态能提供较高的电位，即正极的标准电极电位相对较高。

磷酸锰铁锂电池单体输出电压相较高的正极标准电极电势、特殊的晶体结构和锰离子具有多种氧化态特性。与磷酸铁锂电池相比，3.2-3.4V，磷酸锰铁锂电池最高可达4.1V左右。单体电压的提高自然提高了电池的能量密度。磷酸锰铁锂电池可达200Wh/kg，可与一些三元锂电池媲美，成本远低于三元锂电池。

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既然磷酸锰铁锂电池有这么多优点，为什么还没有大规模使用呢？

虽然磷酸锰铁锂电池与磷酸铁锂电池相比只添加了部分锰，但其生产过程发生了很大的变化，合成方法和配方也发生了很大的变化。整个生产系统与磷酸铁锂电池有很大的不同。此外，锰酸锂晶体中锰-氧组成的八面体结构在充放电循环中容易发生晶格畸变，可能发生与三元材料相似的容量衰减。这个问题可以通过合金化、包覆等技术来解决，但也需要巨大的研发成本。

市场因素也是影响磷酸锰铁锂电池大规模应用的主要障碍。技术迭代需要一定的行业共识。在磷酸铁锂电池技术成熟、三元锂电池补贴丰富的条件下，磷酸锰铁锂电池没有发展土壤。

然而，在当今磷酸铁锂电池达到技术天花板、三元锂电池成本高的市场环境下，新技术的发展和改进已成为主要新能源企业的共同选择，也有机会发展磷酸锰铁锂电池技术。

据《电势》报道，除了宁德时代的M3P电池外，亿威锂能、新旺达等正极材料和电池供应商也在积极开发自己的磷酸锰铁锂电池。据传，特斯拉Model已经改变 3/Y标准续航版将更换宁德时代M3P电池。

宁特斯拉在德时代的杰作中始终处于领先地位，M3P电池市场即将爆发。