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锂电池电解液行业研究:三元锂电高镍化,LiFSI呈现高成长空间

电能配件 2022-8-26 17:14 Au: 能源资讯

(报告出品方/作者:财通证券,毕春晖)

1.新型锂盐LiFSI性能优异,有望打破LiPF6“垄断”地位

1.1.锂离子电池发展迅速,LiPF6“垄断”电解质

锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大部分组成。电解液是 锂离子电池的关键原材料之一,是锂离子电池的“血液”,在电池正负极之间起 到传导输送能量的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证,其成 本约占锂离子电池生产本钱的 5%-10%左右。电解液一般由高纯度有机溶剂、 电解质、添加剂等材料在一定条件下,按一定比例配制而成,电解质占据重要位 置。

锂电发展带动电解液需求快速增长。据工信部统计,2021 年我国全年锂电产量 达 324GWh,同比 2020 年增长 106%。锂电池产量的快速上涨带动电解液的 需求延续增加。过去五年,我国电解液产能和产量延续上涨,其中产量从 2017 年的 11.92 万吨增长至 2021 年的 47.93 万吨,年复合增速达 41.61%。同时, 产能操纵率也有所上涨,扩产逐步趋于理性。

动力电池是电解液下游最大应用偏向。按照锂离子电池下游应用范畴分歧,可将 其分为三个主要板块:即动力电池、消费电池以及储能电池,其中动力电池多用于新能源车等产物,单品(单辆车)消耗量较高,因此也是锂电和电解液等相关 产物最大的应用范畴。国内动力电池范畴电解液消费量约占总量的 60%,消费 锂电其次。


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锂盐是配制电解液关键的一环,LiPF6在锂盐应用中夺得冠军。电解液实际上就 是电解质(可简称为锂盐)溶于适合的有机溶剂中,再加少量的功能性添加剂合 成的,电解质的性质影响着产物的导电性、平安性等。锂电发展至今,已经出现 过量种锂盐,包括 LiClO4、LiPF4、LiAsF6、LiPF6等,其中 LiPF6具有较好的 离子电导率和电化学稳定性,同时在一些特定电解液中能够形成对集流体和石墨 负极均有庇护作用的电解质界面而被普遍应用,今朝 LiPF6仍占据主导地位。

1.2.LiFSI性能优异,更适配快充高续航等发展需求

LiPF6存在诸多问题,限制其拓展应用场景。首先,LiPF6对水很是敏感,在水含 量跨越 1×10-5时就会发生反应天生 HF,腐蚀电池内部器件,削减电池使用寿 命,因此对情况水含量要求较高。其次,LiPF6高温性能差。有研究表白,相比 于未处置的 LiPF6,在 85℃下贮存后再用于组装获得的电池容量有明显的下降, 阻碍了高温情况下的应用。别的,LiPF6倍任性能差,难以适用于需要快充场景下的应用。这些弊端亟待解决,为了拓宽应用场景需要开辟新型锂盐。

LiFSI 性能优异,与快充、高续航等需求加倍适配。针对上述 LiPF6的性能短板, 今朝已经开辟出多种新型锂盐,其中双氟磺酰亚胺锂(即 LiFSI)发展最快,应 用远景最佳。当前 LiFSI 主要作为电解液添加剂少量的与 LiPF6夹杂使用,整体 用量较小。相较于 LiPF6而言,LiFSI 在电解液电导率、凹凸温性能、热稳定性、 耐水解性、抑制气胀等方面加倍优异,因此也被视为最有希望替换 LiPF6的锂盐 之一。

当前锂电应用最广的是动力电池,因此部分电解液发展偏向需适应动力电池的需 求。一般来说动力电池(新能源车)有两大诉求:高续航和快充。现有研究成果 表白,一方面搀杂 LiFSI 的电解液拥有更强的导电性能(图 6a 中 LiFSI 部分或 者全部替换 LiPF6后,电导率均有明显提升);另一方面相比于 LiPF6,LiFSI 更 适用于快充,即高倍率充电,在高倍率下运行可连结更高的电池容量(图 6b 中 高倍率下以 LiFSI 为锂盐的电池克容量损失更少)。综合来看,LiFSI 具有进步 添加量或替换 LiPF6的性能根本。


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综合来看,LiFSI 在多个方面可填补 LiPF6性能短板,有望打破 LiPF6锂盐“垄 断”的地位。而生产技术难度大、生产本钱高、腐蚀正极铝箔等问题曾一度限制 了其应用推广。可是近年来供给真个技术不竭升级、需求真个应用延续扩容,都 在助推 LiFSI 加速推广。

2.供给端:国内企业突破生产技术,产能开释延续降本增效

2.1.国内合成工艺以氯磺酸法为主,竞争格式“一超多强”

1995 年,法国科学家 M.Armand 首次提出将 LiFSI 作为锂盐使用,直到 2012 年才由日本触媒确立其生产工艺并于次年实现产业化生产。我国起步较晚,直到 2017 年起头才有产能相继投产。

LiFSI 主要有两条合成路径:氯磺酸法和硫酰氟法,现以氯磺酸法为主。合成过 程可以分为三个主要步调:双氯磺酰亚胺的合成、氟化、锂化。氯磺酸法也包括 两种分歧原料的生产方式:以磺酰胺、氯化亚砜、氯磺酸为原料(天赐材料、多 氟多采用)或以氯磺酸、氯磺酰异氰酸酯为原料(氟特电池采用);而硫酰氟法例 是以硫酰氟及氮化锂为原料,今朝采用该法生产企业较少。氟化进程一般用氟化 盐或氢氟酸;锂化进程一般用碱性锂或卤化锂。

国内外已有企业生产并销售 LiFSI,但整体范围不大,产能合计约 2.26 万吨。 其中有 6 家产能在千吨以上,行业集中度高,CR3=80%,其中宁德时代控股子 公司时代思康产能最大。按照各公司环评公示统计,大部分产能采用以氯化亚砜 为原料的氯磺酸法。受限于产能范围、产能爬坡等因素影响,今朝仅天赐材料出 货量最高,多氟多、新宙邦、康鹏科技均有出货,显现“一超多强”竞争格式。

多家企业计划产能扶植。按照各家公司公告显示,无论是已经把握技术的“老玩 家”,还是新建项目标“新玩家”,纷纷加速产能结构,预计 2025 年前可投产, 计划总产能约 20 万吨,加上现有产能总计约 22 万吨,CR3=62%,天赐材料 成为最大供给商,行业集中度略有下降。但我们以为对于技术要求较高的 LiFSI, 未来龙头将扩大领先上风,连结“一超多强”的竞争格式。


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改良现有工艺,贮存开辟多种新型制备及回收技术。除了上述两种当前使用的氯 磺酸法合成工艺外,多家企业和研究机构起头贮存新型制备技术,通过缩短工艺 流程、下降原材料单耗等方式对现有生产工艺进行改良,推动 LiFSI 进一步降本 增效。

2.2.进步原料转化&削减三废排放,双重下降原料本钱

LiFSI 售价高,抑制下游应用积极性。LiFSI 售价曾一度处于高位,最高价达 70 万元/吨,而高售价严重影响了下游厂商应用的积极性。按照鑫椤锂电数据,LiFSI 市场均价由 2017 年的 70 万元/吨的最高点下降至 2021 年的 40 万元/吨。主要 是通过进步对原料及烧毁物的综合操纵以及工艺技术的改良,对本钱进行有效控 制,进而售价下降。

合成工艺中原料及溶剂操纵率高,单程转化率有待进步。LiFSI 合成工艺以氯磺 酸法为主,但所用原料有所分歧。按照天赐材料和氟特电池两家企业表露公告可 知,两者别离选用“氯磺酸+氨基磺酸+氯化亚砜+氟化氢”和“氯磺酸+氯磺酰 异氰酸酯+氟化钾”为原料生产。通过原料和溶剂的进入产物量、循环量以及进 入三废量计较可知,整体操纵率均高于 94%,但部分原料单程转化率仍有提升 空间,改良后可下降原料本钱。

削减 LiFSI 三废排放量,制成副产外售降本。由于生产 LiFSI 的进程会发生含 氟、氯、硫的污染物,单吨处置费超万元。对多家公司环评统计可知,主要的含 氟污染物可制成氢氟酸(氟化氢)、含氯污染物大多制成盐酸(小部分制成氯化 钙或氯化钾)、含硫污染物制成亚硫酸钠等副产物外售,在公道处置三废的同时 增加营收,间接下降本钱。因此预计在锂价回落、叠加工艺升级的双重作用下, 单吨 LiFSI 原料本钱可将至 7 万元左右。


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当前锂源本钱占比高。按照部分公司的环评公告显示,连系各原材料的单耗量和 市场均价计较,别离获得各企业合成工艺的原料总本钱,约 10.2、10.7、15.4 万元/吨。事实上,透过本钱结构可以发现,各工艺原料总本钱均跨越 10 万元/ 吨,主要来源于高价的碳酸锂(氯化锂),且以氯化亚砜为原料本钱更具上风。锂价自 2021 年 7 月起头延续上涨,相较去年同期上涨超 400%。按照国内外扩 建及投产计划,预计短期内价格将维持高位,持久看会有小幅回落。

若锂源价格能够回落至 30 万元/吨左右,则上述企业原料本钱可下降至约 7.0、 7.3、12.2 万元/吨,别离下降 31%、32%、21%,降幅明显,且以氯化亚砜为 原料的工艺降本效果更加明显。

2.3.产量提升有效下降制造费本钱

产能放量可有效下降制造用度。按照康鹏科技 2016-2021 年的数据可知,LiFSI 制造本钱占总本钱约 40%,单吨制造本钱超 10 万元。以其每年的产量和制造费 用计较获得 LiFSI 单吨制造本钱,由 2016 年的 63 吨提升至 2021 年的 772 吨, 产量十倍增长后,单吨制造本钱实现减半下降。我们猜测未来 LiFSI 的单吨制造 本钱可降至 7 万元,在碳酸锂等原料价格下降的情况下,猜测综合总本钱约 16 万元/吨。

综合来看,今朝结构产能企业数量多,总产能计划较高,对于已经拥有生产能力 的“老玩家”来说根基不存在生产技术壁垒,精神主要会聚在增强原料操纵能力、 优化工艺、回收操纵等方面;对于计划扶植的“新玩家”来说,建成装置、设备 调剂仍需一按时间,整体而言未来 LiFSI 的国产应用进程将加速推进。


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3.需求端:高镍趋势推动LiFSI增长,主要原料氯化亚砜景气提升

3.1.锂电高镍化趋势明显,4680提前量产加速推广进程

三元锂电高镍化趋势明显,LiFSI 适配高镍电池。按照 GGII 统计数据计较,从 2018-2021 年我国高镍三元占比全部三元电池逐年增长,至 2022 年上半年占 比接近 50%。这主要是下游产物对电池高续航的诉求、以及削减上游高价钴用 量双重驱动的成果,未来高镍三元占比有望进一步进步。由于镍属于高活跃性元 素,所以高含量镍会致使热稳定性变差,而 LiFSI 的化学稳定性和温度稳定性与 高镍电池适配,明显优于 LiPF6,因此这一趋势将带动 LiFSI 需求增长。

多款适用于高镍的电池推出。2020 年 9 月,特斯拉推出的 4680 电池采用高镍 811 作为正极材料,续航性能优异,从稳定性角度斟酌,LiFSI 与 4680 更适配。 2022 年 6 月,宁德时代发布麒麟电池并宣称整车续航达 1000 千米,10 分钟快 充成可能,预计 2023 年量产上市。该款电池对三元材料或磷酸铁锂均兼容,电 池系统质量能量密度更高,今朝宁德时代并未公告电解液具体配方,但我们以为 三元部分对 LiFSI 的添加量将高于 3%。自麒麟电池、4680 电池发布后多家车 企先后“呼应”,包括理想、哪吒、路特斯等著名品牌。

高镍电池的推出将带动 LiFSI 用量提升,4680 提前量产将加速应用进程。由于 麒麟和 4680 主要是为动力电池设计,而动力电池是今朝需求最大、增速最快的 下游,因此未来将是 LiFSI 最主要的应用范畴。按照 EVTank 和 GGII 的统计和猜测,2025 年全球锂电动力电池可达 1.5TWh。因此 LiFSI 需求一方面受益于 锂电高速发展,锂盐需求延续增长;另一方面高镍的不稳定等问题促使 LiFSI 添 加比例进步,部分型号电池用量或将超 10%(普通高镍三元约 3%)。我们以三 元锂电占比、高镍占比等数据进行测算,预计到 2025 年 LiFSI 需求量可达约 16 万吨,市场范围有望达 400 亿元。特斯拉称 4680 将在 2022 年末前实现大 范围生产,提前投产或将是一味“催化剂”,加速 LiFSI 扩大应用进程。


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锂盐本钱提升对电池整体本钱影响有限。锂离子电池生产本钱主要包括原材料、 PACK 用度及其他用度等,其中电解液包括溶质、溶剂、添加剂,以电解质本钱 占比最高,约 50%。按照 Bloomberg 数据,2021 年锂电池均匀生产本钱为 101 美元/KWh。以LiFSI和LiPF6的价格计较,假定电解质全部由LiPF6改成LiFSI, 锂电生产本钱上涨约3%。但实际应用中LiFSI用量并未到达与LiPF6同等水平, 涨幅会小于 3%,因此对电池本钱影响有限。

3.2.LiFSI需求增长带动氯化亚砜景气提升,持久来看供给偏紧

在现有的氯磺酸法生产原料中,氯化亚砜用量较高。今朝氯化亚砜常见的合成工 艺为二氧化硫气相法,发生的三废量相对较少。该工艺以液氯、二氯化硫、二氧 化硫为原料,其中二氧化硫由硫磺自制,上游供给相对稳定。可是由于液氯具有 强腐蚀性,对生产设备防腐要求很高,因此对于氯化亚砜落后入生产企业的投产 存在一定限制。

新建项目获批难度大,市场份额向龙头集中。我国事氯化亚砜生产大国,现有产 能合计共 53.4 万吨/年,其中凯盛新材为行业龙头,拥有 15 万吨/年装置,行业 集中度高,CR5 为 70%。今朝国内计划产能唯一 6 万吨,全部投产后产能约 60 万吨/年。计划产能少主要是由于政府文件将氯化亚砜纳入“两高一资”产物范围, 落后工艺的项目申请难度大,扩建、生产准入门坎进步,因此未来氯化亚砜产能 将有望进一步向龙头企业集中。

下游传统应用范畴涨幅稳定,新兴应用增速较快。氯化亚砜下游主要用于生产染 料(活性翠 K-GL 等)、食品添加剂(三氯蔗糖)、医药中间体(脑复新等)、农 药(抗倒胺等)、新型锂盐(LiFSI)等产物,其中农药、医药、染料范畴属于氯 化亚砜传统应用范畴,未来增速有限;而 LiFSI 和三氯蔗糖属于新兴应用范畴, 未来有望连结高速增长。


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氯化亚砜景心胸提升,持久来看或将趋向于供给偏紧。在氯化亚砜下游产物中, 三氯蔗糖作为一种高质量、高平安性、非营养型高效甜味剂,是肥胖症、心血管 疾病和糖尿病患者食品的最佳理想甜味替换品,预计到 2025 年需求量可达 2.5 万吨。以现有生产三氯蔗糖工艺计较,氯化亚砜总需求量约 18 万吨。连系上述 对 LiFSI 的需求猜测及原料单耗计较,综合猜测氯化亚砜到 2025 年总需求量有 望达 70 万吨。综合当前及计划产能,我们预计氯化亚砜未来或将供给偏紧。

3.3.LiFSI腐蚀铝集流体,多种“防腐”添加剂实现量产

LiFSI 腐蚀正极铝集流体原理说明。锂电由正负极材料、隔膜、电解液组成,其 中正极材料需要涂覆在铝箔上,即铝集流体;负极材料需要涂覆在铜箔上,即铜 集流体。虽然 LiFSI 性能优于 LiPF6,可是零丁使用时会破坏正极中的铝箔。铝 集流体被腐蚀大致分为两个步调:首先铝箔概况的氧化铝庇护膜被破坏,表露出 活性更高的铝层;然后铝在较高的电位下发生的氧化产物溶解到电解液中,深层 的铝继续与 LiFSI 反应,铝不竭流失造成腐蚀,下降电池的使用寿命。

操纵“防腐”添加剂与铝箔天生具有庇护作用的钝化膜。与 LiFSI 会腐蚀铝集流 体分歧的是,LiPF6与铝箔发生反应天生的 AlF3在有机溶剂中溶解度低,天生后 可一直附着在铝箔概况避免内层铝被进一步腐蚀。因此针对这一特性,LiPF6、 四氟硼酸锂(LiBF4)、二草酸硼酸锂(LiBOB)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)等 均被用于电解液添加剂庇护铝箔,具有铝箔“防腐”功能。研究成果表白,使用 适当剂量添加剂对铝箔有很是明显的庇护效果。

在相同的电池体系中,使用相同剂量的分歧添加剂,庇护效果仍存在区别。现有 研究表白,相同条件下铝电极在充放电首次循环发生的电流强度顺序为:LiFSI > LiFSI+LiBOB> LiFSI+LiPF6 >LiFSI+LiBF4> LiFSI+LiDFOB>LiPF6 (电流强度数值越大,代表铝电极腐蚀越严重)。成果表白,使用 LiDFOB 和 LiBF4效果接近,腐蚀水平较低;而添加 LiPF6后腐蚀水平有所下降,但仍需改 进,三种物质均具有成为添加剂的性能根本。

因此针对庇护效果最佳的 LiDFOB 和产能最充沛的 LiPF6 展开进一步研究。结 果表白,在循环 5 圈后 LiPF6组铝电极发生的电流强度下降为首圈一半的左右; 而 LiDFOB 根基降为零,展现出十分理想的效果。因此我们以为从理论层面,二 者均有望成为未来大范围使用 LiFSI 后可搭配的添加剂,同时也不解除未来 LiBOB、LiBF4等其他添加剂出现庇护效果更好的方案。


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部分添加剂已实现量产,可与 LiFSI 相互促进发展。上述多种添加剂中 LiPF6发 展最快,技术最成熟,截止到 2022 年 8 月产能约 13.5 万吨/年;而其余添加剂 总产能较低,唯一少数公司投产或展开研发工作,其中如多氟多、天赐材料、石 大胜华等公司对多种添加剂均有结构。添加剂的量产 LiFSI 推广应用打下根本, 而 LiFSI 反过来也可促进添加剂需求增长,两者相互促进。

高浓度锂盐可有效延缓铝箔腐蚀速度。研究表白,将锂盐与溶剂的比例从 1:10.8 提升为 1:1.1 后(锂盐用量上涨约 10 倍),经过 15 圈充放电循环,剩余容量从 ~150mAh/g 提升至~350mAh/g。虽然仍然有明显的容量损失,可是成果证实 高浓度的锂盐确实对电池存在庇护作用,具有理论根本及可行性,后续仍需改良。更换低溶解度溶剂阻碍铝箔腐蚀。由于 LiFSI 和 LiTFSI 结构相似,具有一定的参考意义。研究表白,以相同用量的 LiTFSI 作为锂盐,将溶剂由 PC(碳酸丙 烯酯)更换为 MCP(3-氰基丙酸甲酯)后,对铝箔的庇护起到明显效果,具有 一定的可行性。

进步电解液浓度以及更换溶剂种类两种方式在研究进程中行之有效,可是仍处于 研发验证阶段,均存在需要解决的不足之处,尚无投产迹象,今朝仅作为技术储 备。

4.重点企业分析

4.1.多氟多

氟化盐行业龙头,逐步转向锂电&半导体新材料。公司以铝用氟化盐为起点从事 氟化工产物生产,上市后逐步切入以六氟磷酸锂为主的新能源相关材料和以电子 级化学品为主的半导体相关材料,其中半导体级氢氟酸已获得台积电等龙头公司 认证,成为公司未来的主要增长点之一。

公司深耕氟化工多年,堆集了大量的锂盐生产经验,现已成为六氟磷酸锂行业龙头,技术和经验的上风可为新型锂盐 LiFSI 未来投产打下坚实根本。公司现有 LiFSI 产能 1600 吨/年,在建产能 1 万吨/年(一期、二期 3000 吨/年,三期 4000 吨/年),预计 2023 年可逐步投产。现有生产线扶植时间较早,且使用的 生产工艺相对落后,公司计划以新技术扶植新产线,本钱上风明显提升。我们推 测公司未来新产线以生产为主,旧产线通过技改、试验等方式探索经验,在不影 响主要产线生产的情况下连结不竭改良的能力。别的公司还拥有 200 吨 LiBOB、100 吨 LiDFOB、100 吨 LiBF4产能,新建 1 万吨 LiPO2F2项目,结构了多种锂电添加剂。


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4.2.天赐材料

公司以日化产物身世,逐步向锂电池材料发展,今朝拥有日化材料及特种化学品、 锂离子电池材料、有机硅橡胶材料三大业务板块,以锂离子电池材料为主。公司 于 2021 年末电解液总产能约 23 万吨,已成为国内相关行业龙头企业。 公司现有 LiFSI 设计产能 6400 吨/年,在建产能 7 万吨/年,是今朝少有的出货 量稳定在千吨级以上的公司。公司今朝是锂电电解液行业龙头公司,产能约 25.6 万吨/年。公司自身拥有大都电解液上游原料,如锂盐 LiPF6、LiFSI;溶剂 DMC、 EC 等;多种添加剂 FEC、VC 等。公司主要生产液态锂盐并以自用为主,生产 本钱更具上风,且延续进步电解液一体化水平巩固自身领先地位。

4.3.凯盛新材

公司主营产物为氯化亚砜、芳纶聚合单体(间/对苯二甲酰氯)、对硝基苯甲酰氯、 聚醚酮酮、氯醚等,建立了以氯、硫根本化工原料为起点,逐步延伸至中间体氯 化亚砜,并进一步到高性能纤维芳纶的聚合单体间/对苯二甲酰氯、对硝基苯甲酰 氯及其他芳香族酰氯产物,再到高性能高份子材料聚醚酮酮(PEKK)及其相关功 能性产物的特色鲜明的立体产业链结构。

氯化亚砜全球龙头,未来供给或将趋向供给偏紧。LiFSI 需求增长,叠加新型甜 味剂三氯蔗糖的带动,未来氯化亚砜需求量可到达 70 万吨。但由于氯化亚砜属 于限制性投产产物,新建项目审批难,以现有及计划项目计较,未来供给端产能 约 60 万吨/年,因此我们推测氯化亚砜将迎来景心胸提升,且从持久角度来看趋 向与供给偏紧。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

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