100种电解液配方大全,电解液配方开发

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-02 21:06:32

2 溶质:电解液核心,技术迭代创新为王

电解液溶质赛道长坡厚雪,技术迭代创新为王。电解质为电池电解液关键成分 之一,直接决定电解液的性能。目前通用的锂离子电池电解液溶质为六氟磷酸锂, 后续新型溶质双氟磺酰亚胺锂有望逐步打开市场空间。未来,钠离子电池有望带动 六氟磷酸钠需求快速增长。长期来看,电解液溶质赛道长坡厚雪。从需求端来看,未 来十年新能源汽车有望保持年均 30%以上的增速,电池端需求增速则远高于 30%, 预计动力电池材料需求也将实现高速增长。同时电化学储能等行业的兴起将成为带 动锂电材料需求增长的又一极,预计 2025 年电解液溶质总需求将达到 30.4 万吨。 从供给端来看,虽然目前产能规划已经接近 50 万吨,但以多氟多、天赐股份为代表 的龙头公司扩产为主,未来行业龙头公司市占率有望进一步提升,龙头公司将凭借 规模优势、成本优势和客户优势获取更多市场份额。未来,成本与技术将成为电解 液溶质行业的两大护城河。从新型电解质的角度来看,行业的技术迭代速度更快、 进入门槛更高,因此产品的溢价能力更强。电解质行业龙头公司凭借超前的布局和 长期的技术积累有望率先实现突破,原先的客户优势将助力其产品快速放量,充分 享受新技术带来的红利。

2.1 电池性能需求提升促进溶质升级迭代

电解质为电池电解液关键成分之一,直接决定其性能。电解液作为电池的关键 材料, 直接影响电池的倍率、容量、循环寿命、适用温度和安全等性能。而电解液一 般由电解质、溶剂和添加剂组成。其中电解质是电池中离子在正负极传输的媒介, 是决定电解液物理和化学性质的主要因素。随着人们对电池高电压和快充等性能提 出更高要求,电解质成为提升电池性能的突破口之一,而理想的电解质应具备以下 特点:1)低解离能和较高的溶解度 2)较好的热稳定性、化学稳定性和电化学稳定 性 3)良好的 SEI 成膜性能 4)对 AL 集流体具有良好的钝化作用 5)成本低廉,无毒无公害。

下游应用场景需求带动电池种类更新迭代。电池按应用场景分类主要分为动力 电池、消费电池与储能电池。动力电池对性能的要求更偏向于高能量密度与长循环 寿命,磷酸铁锂电池和三元电池因其较高比容量而广泛运用于新能源汽车领域。固 态电池因具有高比容量、长循环寿命和优良快充性能等被视为“下一代动力电池技术”, 但目前因固态电解质与电极相容性低等因素尚未解决而阻碍其产业化发展。钴酸锂 电池因其高比容量和产品一致性好等特点主要运用于消费电子领域,但其高成本和 低安全性限制其进一步发展。储能领域具有规模大,时间长等特点因而对电池循环 寿命、成本和安全环保性提出更高要求,目前储能电池以磷酸铁锂电池和铅酸电池 为主,而拥有能量密度趋于磷酸铁锂电池同时成本更低的钠离子电池与超高循环寿 命的钒电池有望对其实现进一步替代。

锂盐种类繁多,六氟磷酸锂因其综合性能最优为目前最广泛使用溶质。锂盐按 照阴离子不同可分为无机锂盐和有机锂盐。无机锂盐包括 LiPF6、LiBF4、LiAsF6等, 有机锂盐则包括 LiFSI、LiBOB、LiODFB 等。无机锂盐相较于有机锂盐制造环节少、 提纯难度低,具有价格低、工艺壁垒低的优势,而有机锂盐则在离子电导率、热稳定 性、电化学稳定性等方面优于无机锂盐。六氟磷酸锂是目前最常用锂盐,与其他锂 盐相比六氟磷酸锂的单一性质并不突出,但综合来看性能最优。六氟磷酸锂在非水 溶剂中具有合适的溶解度和较高的离子电导率,能在 Al 箔集流体表面形成一层稳 定的钝化膜,成膜性能也良好,但其热稳定性较差,且对水十分敏感,遇水会分解产 生氢氟酸破坏电极表面 SEI 膜,造成电池容量严重衰减。双乙二酸硼酸锂和二氟草 酸硼酸锂具有较好的热稳定性与离子导电率,但其溶解度较小不适合大规模应用, 目前主要作为添加剂辅助使用。LiFSI 作为新型锂盐在离子导电率、热稳定性、溶解 度等各方面性能突出,还能有效提高电池低温放电性能, 抑制软包电池胀气,因此有 望成为下一代锂电池溶质的最优选择。

与锂电池相似,六氟磷酸钠为钠离子电池最适合钠盐。钠盐为钠离子电池不可 或缺部分,与锂离子电池相似,电解质钠盐是提供钠离子的源泉,保证电池在充放 电循环过程中有足够的钠离子在正负极材料来回往返,从而实现可逆循环。含氟钠 盐由于氟原子的强电负性和诱导效应,可提高电解液的电导率和安全性,应用较广 泛,主要有 NaPF6、NaDFOB 和 NaFSI 等。其中用 NaDFOB 制备的电解液相比 NaPF6 具备更宽的化学稳定窗口和更小的粘度,提升电池的循环性能和倍率性能作 用更佳,但过量的 NaDFOB 会增大界面阻抗,不利于钠离子迅速脱嵌,造成电池容 量衰减,因此只适合作为辅盐使用。此外高氯酸钠因具备较高离子电导率和热稳定 性也常被用作钠盐研究,但其难以干燥且易制爆的特点限制其进一步发展。相比之下,六氟磷酸钠具备较高离子导电率、热稳定性和优良的成膜性能,虽遇水易分解 产生腐蚀性气体,但其在非水溶剂中综合性能最优而成为目前钠离子电池最常用的 钠盐。

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固态电解质种类多,其中复合固态电解质和硫化物电解质最有希望实现商业化 应用。根据工信部制定的《节能与新能源汽车技术路线图》,单体电芯比能量在 2025 年达到 400 Wh/kg,2030 年达到 500 Wh/kg,目前锂离子电池比能量为 300- 350Wh/kg,已基本达设计极限,为了满足更高能量密度需求,采用比容量为 3800 mAh/g 的金属锂替代石墨作为锂电池负极更符合未来发展需求。然而在液态电池中 锂负极在循环过程中会有不可控的锂枝晶生长,带来严重安全隐患,而固态电解质 具有较强的机械性能可以抑制锂枝晶生长,因此固态电解质可实现锂金属的应用, 形成能量密度较高的固态电池。目前固态电解质按组成成分主要分为氧化物体系、 硫化物体系、聚合物体系以及复合固态电解质,其中复合固态电解质和硫化物电解 质相对性能更优而更具希望实现商业化应用。硫化物电解质是由氧化物衍生而来, 具备比氧化物电解质更高的离子导电率,其中硫化物固态电解质 Li10GeP2S12 为目前 室温离子电导率最高的晶态固态电解质,可以媲美液态电解质,但硫化物电解质在 极性溶剂中的稳定性差,暴露于潮湿的空气中时会发生水解反应等因素制约其进一 步产业化发展。单一固态电解质体系常常存在于电极接触性差,界面阻抗高或者离 子导电率与机械强度不够等缺陷而不能实际应用,复合固态电解质由与锂金属界面 接触性好的聚合物基体和离子导电率高的无机填料结合,因此表现出更好的综合性 能,有望在未来实现商业化应用。

2.2 溶质需求多样,成本管控 技术创新铸就核心竞争力

2.2.1 六氟磷酸锂:行业竞争加剧,龙头凭借成本优势加速提升市占率

六氟磷酸锂是目前最广泛使用锂盐,在电解液成本占比达 52.2%。锂离子电池 由于较高能量密度、循环寿命长、绿色环保等优点在新能源汽车,电动车,消费电子 等领域广泛应用。电解液是决定锂离子电池性能的关键成分之一,其组成成分包括 溶质、溶剂与添加剂。六氟磷酸锂因在电解液中易于解离,高离子导电率,合成工艺 较简单等优势为目前电解液最广泛使用溶质,在电解液成本中占比约 52.2%,对提 升电解液性能至关重要。

六氟磷酸锂大批量生产主要采用 HF 溶剂法。六氟磷酸锂对水十分敏感,在潮 湿的空气中会分解,导致产品纯度下降,所以该产品通常在惰性气氛下制备,同时 由于反应原料具有强腐蚀性,生产过程中对设备要求较高,一般为衬四氟管道或衬 四氟反应釜。六氟磷酸锂现有的合成工艺主要有气–固反应法、HF 溶剂法、络合物 法和离子交换法等。其中气-固反应法可制备高纯六氟磷酸锂,但因反应条件较为苛 刻等因素不易于量产,络合物法和离子交换法降低了反应过程的腐蚀性,但因杂质 或水分难以去除而不适合工业化生产。HF 溶剂法由于工艺简单、生产产品纯度高等 优点目前应用于六氟磷酸锂大规模商业化生产中,但是该工艺同样存在着对设备要 求高、反应过程较危险等缺点,需要进行进一步优化。

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下游新能源汽车市场需求叠加国内疫情反复双重影响下,六氟磷酸锂价格近年 来出现较大波动。2021 年六氟磷酸锂价格飞速上涨,最高达 56.5 万元/吨,为同年 价格最低点的 5.1 倍。从需求端看,主要受新能源汽车补贴等政策刺激,下游新能源 汽车需求旺盛,带动六氟磷酸锂迎来需求高峰。从供给端看,2021 年六氟磷酸锂总 产能同比上涨 72.19%,但由于六氟磷酸锂投产周期至少 1.5 年,叠加国内疫情反复 工厂开工受制,部分厂家产能未能充分释放,供需错配局面使得短期内六氟磷酸锂 价格飙升,行业毛利大幅上涨,最高可达 56.64%。2022 年上半年新能源汽车行业 略显疲软,六氟磷酸锂需求不及预期,同时国内厂商六氟磷酸锂产能逐步释放,供 给增加,供需趋于平衡,六氟磷酸锂价格逐步回归。目前来看下游市场受新一轮政 策刺激需求回升,六氟磷酸锂需求出现新一轮增长,六氟磷酸锂价格触底反弹。结 合国内疫情防控不确定性以及政策等因素,预计未来一段时间下游新能源汽车市场 会处于持续震荡局面,同时带动六氟磷酸锂价格持续震荡,但长期来看国内六氟磷 酸锂产能逐步释放将赋予产品供给端弹性,供需匹配促使六氟磷酸锂价格趋于稳定。

六氟磷酸锂上游原材料碳酸锂价格持续上涨,压缩行业毛利水平。目前市场上 六氟磷酸锂产品形态主要以多氟多制备的晶体和以天赐材料制备的液态为主。工业 级碳酸锂为制备六氟磷酸锂的重要原材料之一,在晶态六氟磷酸锂成本和液态六氟 磷酸锂成本中分别占比 86.7%和 77.7%,是影响六氟磷酸锂成本的主要原材料。2021 年以来,氢氟酸,三氯化磷等原材料价格保持较平稳水平,而工业级碳酸锂价格持 续飙升,最高可达 49.5 万元/吨。2021 年下半年,原材料价格增速高于六氟磷酸锂 价格增速从而挤压行业利润,行业毛利持续下跌。2022 年六氟磷酸锂价格大幅下跌 叠加原材料碳酸锂价格仍居于高位,六氟磷酸锂行业毛利水平断崖式下跌,最低可 达 7.40%。

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原材料碳酸锂主要从锂矿或含锂卤水中提取,下游应用领域广泛。工业级碳酸 锂是能够自由流动的无味白色粉末,可以保证重量百分比纯度达到 99.0%,粒度相 对较小,水溶解性很低,常以无水形式存在。工业级碳酸锂主要从锂矿中提取或从 盐湖卤水中提取含锂的碳酸盐再进行加工制得,下游产品可应用于电池材料、玻璃、 熔块和其他陶瓷的制造以及各类特种领域。

碳酸锂短期供需错配致价格高升,预计到 2023 年碳酸锂供需趋于平衡。短期 受上游原材料稀缺叠加全球疫情致物流塞港等因素影响导致供需偏紧,碳酸锂价格 高速上涨。2021 年碳酸锂供需差距为 15.88 万吨,我们预计在 2022 年供需差额将 缩小致 3.88 万吨,2023 年供需基本平衡。在此基础上,预计碳酸锂价格将有所回 落并保持在一定价格区间内,对六氟磷酸锂生产厂商的成本管控能力要求更强。根 据我们的模型测算,六氟磷酸锂行业龙头多氟多,在碳酸锂价格 45 万元/吨时,单吨 六氟磷酸锂成本为约为 17.12 万元,而此碳酸锂价格下行业平均成本为 22 万元/吨, 因此未来六氟磷酸锂行业竞争格局将出现分化,拥有更强成本管控能力的企业有望 在竞争力脱颖而出。

受下游产品需求带动,我们预计到 2025 年全球六氟磷酸锂总需求将达到 30.4 万吨。六氟磷酸锂为锂电池电解液关键组成成分之一,也为锂离子电池不可或缺成 分。锂离子电池因具备高比容量与安全性能相对较优等优势广泛运用于新能源汽车、 消费电子和储能等领域。近年来新能源汽车与储能行业受国家政策刺激行业景气不 断升温,带动锂电池电解液及六氟磷酸锂需求高涨,2021 年六氟磷酸锂消费量达 4.16 万吨,同比上涨 103.36%。2022 年六氟磷酸锂月销量持续增长,6 月消费量突 破 6500 吨/月,创下月销量历史新高。在下游新能源汽车、电化学储能叠加电瓶车、 消费电子等行业持续发力下,我们预计未来六氟磷酸锂还将保持高增长态势。根据 我们的模型测算,2025 年全球六氟磷酸锂总需求将达到 30.4 万吨,2021-2025 年 年均复合增幅达 53.14%,增幅显著。而且我国作为全球最大的六氟磷酸锂消耗国, 预计增速将超过全球平均增速。

六氟磷酸锂电解质赛道红利引多家企业公告扩产,预计 2022 年底供需将得到 缓解。2021 年以来受下游需求旺盛影响,六氟磷酸锂价格飙升,一度涨到 59 万/吨, 行业毛利最高可达 55%以上。六氟磷酸锂行业红利吸引天赐材料、多氟多、天际股 份等多家公司加码六氟磷酸锂产能,据不完全统计 2021 年以来国内新增六氟磷酸 锂产能规划 46.95 万吨。若以上公司规划产能顺利释放,根据六氟磷酸锂长达 1.5 年 -2 年 的 投 产 周 期 计 算 , 我 们 预 计 2022 年 -2025 年 将 形 成 名 义 产 能 20.88/32.07/53.97/57.97 万吨,则 2022 年国内六氟磷酸锂供需将得到缓解,未来六 氟磷酸锂行业的供给将取决于各个公司的产能释放节奏,其根本还是在于各个公司 对于六氟磷酸锂产品成本的把控。

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