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锂电池系列18:一文了解电解液-凯发k8娱乐官网入口

2023-01-31 来源:雪球

电解液

是锂电池的四大关键材料之一其本质作用是稳定地传导锂离子目前应用最广泛的是液体电解液

电池的正负极和隔膜都浸泡在电解液中在充放电过程中电解液作为锂离子的传输媒介一方面提供部分活性锂离子作为导电离子使用另一方面提供离子通道帮助锂离子在其中自由移动

就像人体物质的传输需要依靠血液一样电解液就是锂电池内部物质传输的血液对电池的能量密度功率密度循环寿命安全性能宽温应用等起着关键性作用

作为锂电池的血液电解液应具备五大基本特性1良好的导电性能离子迁移的阻力小能有效促进电极可逆反应的进行2良好的化学稳定性不与正极负极隔膜粘结剂等材料发生化学反应3宽电位范围需要有 0-5v 的电化学稳定窗口4工作温度范围宽在较宽的温度范围内一般为-40℃~70℃保持液态5环境友好无毒或者低毒性

电解液由溶剂溶质和添加剂等原料在一定条件下按一定比例配制而成按质量占比溶剂占 80%-85%锂盐占 10%-12%添加剂占 3%-5%按成本占比溶剂占比约 30%锂盐占比约 40-50%添加剂占比约 10-30%其中溶剂质量占比最高溶质成本占比最高溶质价格的波动是影响电解液价格的主要因素

溶质采用各种含锂化合物因为锂盐在溶剂中溶解后可释放大量活跃锂离子有利于提高电解液的导电性能六氟磷酸锂lipf6具备全方位的优良性能和最强竞争力是目前最常用的溶质但未来有可能被lifsi替代

溶剂为电解液的溶质提供液体环境作为运输锂离子的载体传统蓄电池使用水作为电解液溶剂但由于锂电池的放电电压远高于水的电解电压1.2v左右有机溶剂成为锂电池产业化的选择实际应用中一般将高介电常数溶剂与低黏度溶剂混合使用达到相互协作的目的所以电解液采用混合溶剂体系目前95%溶剂以碳酸二甲酯dmc碳酸乙烯酯ec碳酸甲乙酯emc等碳酸酯类为主

添加剂是在电解液中具有特定功能的物质其含量较低能明显提升电池的电化学性能按作用类型的不同可以分为成膜添加剂过充保护添加剂高/低温添加剂阻燃添加剂倍率型添加剂等电解液中通常含多种添加剂碳酸亚乙烯酯vc和氟代碳酸乙烯酯fec是目前最常用的电解液添加剂可在电极表面形成sei/cei膜使得锂离子可自由进出而溶剂分子难以通过从而实现维护电极材料性能稳定提高电池容量与循环性能效果

根据高工锂电电解液的生产流程如下

电解液生产流程较为简单主要包括处理提纯混合搅拌和罐装出货三步所使用的原料储存罐搅拌釜管道以及各种表机均是标准设备没有特殊的物化要求因此电解液生产的技术核心来自于原料配方其中溶质与溶剂的成分较为简单工艺也已十分成熟添加剂便成为了差异化战略的关键优秀的配方不仅要充分满足客户的性能指标更要与电池的其他材料较好兼容

目前配方的来源主要有电解液厂商独立研发与电池厂商合作研发由电池厂商提供这三种方式具备独立研发能力和成本管控能力的电解液厂商会拥有更强的议价能力

锂盐lipf6占据主导地位lifsi 入局企业增多

六氟磷酸锂具有较高的电导率良好的离子迁移数较强的电化学稳定性抗氧化性还可在碳负极上形成适当的 sei 膜以及可有效钝化正极铝箔能与各种正负极材料匹配是目前商业化应用最广泛的锂电池溶质

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

六氟磷酸锂行业进入壁垒主要在于三个方面

第一为技术壁垒六氟磷酸锂生产条件苛刻对原材料氟化锂和氢氟酸的纯度要求极高生产过程容易爆炸或产生剧毒物质属于典型的高科技高危生产环境高难生产的三高 技术产品技术薄弱的企业难以生产同时作为锂离子电池的核心材料六氟磷酸锂的纯度至少要达到 99.9%以上提高产品纯度的方法主要有控制原辅材料纯度采用先进设备控制产品结晶和干燥四种$天赐材料(sz002709)$ 和$多氟多(sz002407)$ 公司六氟磷酸锂制备原材料氢氟酸和氟化锂皆为自主生产可以有效控制原料的纯度与一致性

第二是投资壁垒六氟磷酸锂前期投资金额较高扩产周期长环境安全审批时间长形成有效产能大概需要 1.5-2 年投资回报周期长

第三是客户壁垒六氟磷酸锂行业上下游联系紧密产能供给集中度高天赐材料多氟多天际股份 三家企业市占比达 50%以上行业龙头企业签订长单提前锁定市场大部分六氟磷酸锂产品需求即便在六氟磷酸锂行情不稳定时盈利能力也能得以保障小企业或新入企业竞争力较弱

行业龙头生产技术与研发优势突出具备成本优势比六氟磷酸锂行业平均成本低 4-5 万元/吨天赐材料采用电解液及其原材料一体化生产模式主要生产的液态六氟磷酸锂以自供为主生产成本相对较低多氟多采用一体化连续循环生产的双釜法叠加氢氟酸自供生产的固态六氟磷酸锂成本为行业最低水平

伴随着新能源汽车快速发展国内生产企业积极扩产六氟磷酸锂2017-2021 年我国六氟磷酸锂产能从 3.62 万吨增长至 9.55 万吨年均复合增长率 27.45%其中 2021 年同比增长 69.03%产量从 1.42 万吨增长至 5.4 万吨年均复合增长率为 39.65%其中 2021 年同比增长 91.49%

我国六氟磷酸锂市场集中度高以多氟多天赐材料江苏新泰为主导

目前主流锂盐六氟磷酸锂存在热稳定性差遇水易生成腐蚀性氢氟酸造成电池容量衰减等问题此外低温环境下六氟磷酸锂易结晶致使电导率降低提高了电池内阻为了进一步满足锂电池的性能需求锂盐溶质也需朝着性能更优的方向更新迭代

以双氟磺酰亚胺锂 lifsi为电解质的电解液与正负极材料之间保持着良好的相容性可以显著提高锂离子电池的高低温性能同时相比六氟磷酸锂lifsi 具备更优异的离子导电性热稳定性和电化学稳定性且易溶于水和各种有机溶剂几乎无副反应在众多新型锂盐中性能最优有望成为下一代锂电池溶质

目前制备双氟磺酰亚胺锂的主要原材料为磺酰胺氯化亚砜氯磺酸和氟化锂其中氯化亚砜耗用量最多1 吨双氟磺酰亚胺锂约需耗用 1.48 吨氯化亚砜

根据qyresearch 的数据我国是氯化亚砜最大的消费国与生产国在全球市场份额约占 55%随着市场对 lifsi 需求增多也将带动氯化亚砜需求上升目前凯盛新材有15万吨氯化亚砜产能为最大其次为安徽金禾实业8万吨

根据康鹏科技 招股说明书六氟磷酸锂与双氟磺酰亚胺锂性能对比如下

目前国内lifsi生产商主要有三类天赐材料$新宙邦(sz300037)$ 等电解液企业多氟多永太科技时代思康等氟化工企业以及华盛锂电 康鹏科技等专业添加剂企业所用的不同工艺路线在原材料可得性环保处理上差异较大进而导致成本和产能弹性的较大差异

截至2022年8月国内合计产能为 1.01 万吨/年其中天赐材料拥有产能较多为 0.63万吨/年且其在建及拟建双氟磺酰亚胺锂产能达 16 万吨/年其次是永太科技康鹏科技和多氟多在建及拟建产能分别为 6.7 万吨/年1.5 万吨/年1 万吨/年合计在建及拟建产能达 25.94 万吨/年

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

溶剂dmc 性能优异呈双寡头格局

溶剂的性质要求1介电常数高对锂盐的溶解能力强2熔点低沸点高在较宽的温度范围内保持液态3黏度小便于锂离子的传输4化学稳定性好不破坏正负电极结构或溶解正负电极材料5安全性好成本低无毒无污染

常用的溶剂大致可分为三类碳酸酯类亚硫酸酯类和砜类碳酸酯类产品由于性能和成本等综合优势凸显是目前使用最为广泛的电解液溶剂

其中碳酸二甲酯dmc气味小挥发性好溶解能力强可有效提升锂电池的电导率此外还具备低温充放电性能佳制作成本低廉的优势是电解液中使用最为广泛的有机溶剂

相比工业级溶剂电池级溶剂纯度要求至少达到 99.99%更高纯级产品要求甚至达到 99.995%以上且由于催化剂选择要求高提纯难度大国内可以规模化生产电池级溶剂的企业较少根据海科新源招股说明书当前电池级溶剂市场较为集中2020 年石大胜华与海科新源全球市场份额合计占比超 55%市场呈双寡头垄断格局

由于电解液溶剂往往需要多种产品进行混配拥有全品类产品配套能力的企业竞争力有望凸显因此未来电解液溶剂行业的竞争格局有望演化为电池级产品生产能力 成本 全品类布局的综合竞争具备技术优势规模优势和成本优势的企业有望受益

根据百川盈孚和华经产业研究院的统计我国现有 147.6 万吨 dmc 产能中工业级 dmc 为 131.2 万吨占比高达 89%而电池级 dmc 产能仅 16.4 万吨占比仅为 11%随着下游新能源汽车行业不断发展电池级 dmc 需求不断增加掌握了电池级 dmc 制备工艺的企业有望受益

添加剂改善电池性能需求持续向好

不同应用领域对锂电池的性能要求不同通过调整添加剂的种类和用量可定向改善锂电池性能添加剂一般不参与充放电反应且用量较小但其可以改善电解液的电化学性能使电解过程处于更佳的状态是电解液不可或缺的部分

添加剂的性质要求1在有机溶剂中溶解度较高2少量添加就能使一种或几种性能得到较大改善3不与电池其他组成成分发生有害副反应影响电池性能4成本低廉无毒或低毒性

国内电解液添加剂以 vcfec 为主#电解液添加剂vc# 属于成膜添加剂可在电池负极形成一层致密的 sei 膜进而抑制溶剂分子嵌入破坏电极提高电池的循环性能与可逆容量通过添加剂可以在负极表层形成一层 sei 膜成为了锂离子商业化的关键一步氟代碳酸乙烯酯fec具备较好的形成 sei 膜的性能同时可提高电解液的低温性能fec添加剂是为高倍率动力电池电解液定向开发的核心添加剂能增强电极材料的稳定性

添加剂 vc 和 fec 的原材料为碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯均为电解液溶剂因此未来溶剂厂商切入添加剂赛道具备显著的原材料优势

vc与fec皆为环状碳酸酯在工业生产中都以碳酸乙烯酯ec为主原料进行加工生产vc与fec生产工艺类似通过合理的产线布置能够获得协同生产效益两者的制造工艺复杂且原材料成本较高因而制造费用与直接材料成本占比高根据华盛锂电招股说明书披露电解液添加剂的制造费用和材料成本占比分别达到了 47.5%和 39.7%所以电解液添加剂行业除了原材料之外各企业的生产工艺差异也会造成成本的较大差异具备较强工艺改进和创新能力的企业也有望在竞争中脱颖而出

2020 年在国内电解液添加剂出货量中vcfec 出货量占比分别为 42.1%21.7%合计达 63.8%

vc 方面2020 年 vc 前五大企业出货量合计达 78.6%其中江苏盛华出货量位居第一为 31.4%其次是瀚康化工和青木高新出货量占比分别为 14.1%11.8%vc的主要作用是提高电池容量和循环寿命由于vc在磷酸铁锂电池中添加比例远高于三元电池磷酸铁锂需求增长带动vc产量大幅提升

fec 方面2020 年 fec 出货量位居前三的分别为江苏盛华瀚康化工和苏州华一占比分别为 48.8%27.1%11.4%合计达 87.3%

电解液行业格局

根据百川盈孚数据2021 年我国电解液产能为 99.99 万吨同比增长 67.94%2017-2021 年我国电解液产能年均复合增长率为 36.74%

2017-2021 年我国电解液产量从 11.92 万吨增长到 47.93 万吨年均复合增长率为 41.61%其中 2021 年同比增长 60.68%

根据百川盈孚数据2022 年前7个月国内电解液行业 cr5 为 51.69%其中排名前三的分别为天赐材料新宙邦江苏国泰合计达 38.91%

电解液需求结构中动力电池占主导2022h1 动力电池需求占比高达 70%是电解液主要的终端应用领域根据高工锂电的数据三元电池单 gwh 大约消耗电解液 700-900 吨而磷酸铁锂电池单gwh 大约消耗电解液 1300-1500 吨随着磷酸铁锂电池装机量和装机占比的不断提升将进一步带动电解液需求高速增长

储能在政策的大力推动下快速发展从 2019 年的 3.11%的占比快速提升至 2022h1 的 18%消费电池需求占比基本保持稳定未来在动力电池和储能电池快速增长的背景下其占比或降低根据百川盈孚和高工锂电数据电解液消费结构万吨如下图

根据百川盈孚的统计数据我国现有电解液产能约 110 万吨预计到 2024 年产能将扩张至430 万吨行业竞争格局将日益激烈



作者:认知复利s
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