超越刀片电池和麒麟电池？富锰锂基补齐固态电池最大短板

在新能源车的逻辑下，虽然也整出了一套电池、电机、电控，以对应燃油车时代“三大件”。但就像巅峰巴萨的“MSN”组合一样，说是组合，可谁都无法压过最璀璨的那颗星。对电动车而言，动力电池部分，就是所谓最璀璨的星。这点仅从成本上就可以判断。而仅仅是动力电池的电芯部分，就不止凑出所谓的“三大件”。光是核心组成部分，就有正极、负极、电解液、隔膜。而今天我们要聊的，就是电池电芯的“绝对巨星”，也就是正极材料的技术新突破。正极材料拖新能源车后腿

先解释一下为什么正极材料是电池电芯中的“绝对巨星”，其实答案有点尴尬，因为现阶段科技树水平下，正极材料是最拖后腿的那个。虽然我们总是吐槽负极的石墨材料都是老古董了，期待硅基负极、金属负极这些技术的替换。但事实是，即便石墨负极对比现阶段最高水平的量产三元锂电池，其克容量也是遥遥领先。虽然为了防止析锂、死区等极端情况的出现，负极的设计一般会提供一定冗余。但即便如此，正极材料的克容量也还远远不够。而且堆砌更多的正极去对应负极，整个电芯的成本也被相应推高。

特别是在丰田、日产等日系车企，已经基本敲定在大约3年后开始陆续落地固态电池（至少是固态电解液）的背景下，正极材料的落后就显得更加尴尬了。但在现行的技术逻辑下，如果只以容量论英雄，那么正极材料似乎也已经走进了死胡同。且不说磷酸锂路线，即便是套上磷酸锰铁锂的改进方案，仍然无法在电池容量上反杀三元锂。至于镍钴锰三元锂电池，其中镍含量几乎可以说是无以复加，那么电池性能到底还能从什么角度被提升呢？

从根本上来说，锂电池的能量仅与容量和电压有关。那么提升电池的性能，就要从容量与电压两个角度着手。事实上，这也是三元锂电池在性能上对磷酸铁锂电池形成碾压的两个方面。而眼下，能够在电池容量和电压上都双杀镍钴锰三元锂电池的正极材料的雏形，似乎已经开始显现，这便是富锂锰基正极材料。容量更大、成本更低、安全性更高，真没短板？

富锂锰基正极材料理论上有着300mAh/g左右的克容量，以及额定电压约4.5V的表现。对比主流三元锂电池，富锂锰基正极至少可以在容量上提升30%提上。并且电压也能稳稳超过三元锂电池（额定3.7V左右）。再加上传统三元锂电池中，锰就是作为稳定剂角色存在，安全性也得到了保障。更重要的是，锰还有成本优势。三元锂电池中，钴的成本压力自然不必说，所以高镍电池除了容量优势，也有降成本的考虑。但即便是镍，相比锰而言，都可以用昂贵来形容。国内电池级硫酸锰的价格，长期徘徊在6000元/吨左右，而电池级硫酸镍的价格大约在3万元/吨左右。相比动辄上十万元每吨的碳酸锂而言，锰更是白菜价。而且全球锰矿储量甚至还远多于镍矿，想要炒作锰的价格，基本没有可操作性空间。

不过锰的这么多优势也不是今天才知道的，事实上在电池路线的混沌期，锰酸锂方案就给出了相对稳定的结构，以及相对更高的工作电压表现。但由于过于稳定的尖晶石结构，活性也相对更低，于是在电池容量上难以匹敌后来逐渐普及的镍钴锰三元锂电池。即便是赋予锰酸锂高镍、高压的属性，其总的能量表现大约也只有镍钴锰三元锂电池的8成左右。就这还得面临电解液在高压下的风险。

那么解决问题的根本就在摆脱过于稳定的尖晶石结构，转而采用三元锂电池的层状结构。这也是为什么我更愿意称其为三元锂电池的PLUS版，而非锰酸锂电池变种的核心原因之一。打通结构，意在为锂的脱嵌铺平道路。在此基础上，正极就还需要增加更多的锂，这也是所谓“富锂”的由来。由于正极材料为稳定的“锰基”（最开始应该也会保留钴的使用），所以在层状结构下，其过渡金属层也可以含有锂（镍钴锰三元锂电池没有）。由此便构成了一套锰酸锂与层状结构相结合的富锂锰基电池。

但结合前面的技术介绍来看，即便是集合锰酸锂的天生优势，与三元锂电池的工艺积累，富锂锰基电池仍然有着清晰的短板。在充放电过程中，也就是锂离子来回迁移的工作中，会产生少量的氧。即便是镍钴锰三元锂结构下，氧的释放也会影响原本金属离子排列松动。随着时间的推移，这一过程会降低电芯的电压以及工作效率。但在富锂锰基正极中，影响会更大。因为锰酸锂的舒适区仍然是尖晶石结构，富锂锰基的多层结构在被松动后，容易再次朝着尖晶石结构迁移。这也是为什么富锂锰基电池的有效循环寿命，明显低于三元锂电池与磷酸铁锂电池的主要原因。

解决这一问题的核心办法，就是抑制氧的产生与强化新结构的排列。除了在正极部分，通过掺杂、包覆、修饰和路径优化等方案外，固态电解液也能够明显减少正极与电解液之间的活性接触，起到结构稳定的作用。同时，固态电解液也能够适配更高工作电压的富锂锰基电池，发挥其最大的性能潜力。考虑到国内预计将在明年小规模验证，以及2-3年内迎来规模化应用的技术进展。富锂锰基电池预计会与固态电池前后脚落地，也算是一种双向奔赴了。

就算富锂锰基电池先一步落地，也可以在相对满血版电压稍低一点的情况下，与现阶段的三元锂电池，甚至是磷酸铁锂电池进行混装。由此分别提升三元锂电池的稳定性、控制其成本。又或者提升磷酸铁锂电池的整体电压，以及电池容量密度等等。当然，富锂锰基电池用“磷酸铁锂成本，造出超过高镍三元锂电池性能”的终极形态落地之后，现阶段的动力电池格局，或许又将迎来一次洗牌。