电解液添加剂上下游分析

电解液添加剂上下游分析电解液添加剂上下游分析电解液添加剂的上游是主要涉及磷化工和石油化工生产的原材料。我国锂电池电解液添加剂原材料企业众多，种类比较齐全，主要包括甲基磺酸、丙炔醇、三氯化钌、五氧化二磷等原材料。电解液添加剂原材料价格受有关大宗商品价格变动及市场供需情况的影响，呈现出一定程度的波动。电解液添加剂下游行业包括3C电子电解液、动力电池电解液和储能电池电解液，从动力市场来看，2021年由于我国新能源汽车爆发式增长，带动动力电解液出货量同比增长132．8%，占全球产量的82．8%。2021年我国新能源汽车渗透率已经达到13．4%，行业进入完全市场化阶段，长期来看，动力电解液市场前景广阔。从储能市场来看，其市场规模相对较小，仍处于导入期，但发展速度较快。并随着碳中和政策实施带动我国电力系统储能需求大幅度增长，而带动储能电解液出货量将继续保持快速增长。从小型电池领域来看，传统消费类电子需求仍然旺盛，新兴领域为锂电池创造全新市场空间。在下游行业需求持续旺盛且不断增加的情况下，我国锂电池电解液添加剂市场空间广阔，未来将继续保持快速增长。电解液行业未来展望新增产能增加，行业竞争加剧，未来电解液行业将演变为以成本管控为核心，以配套能力为辅助的竞争格局。供不应求时电解液价格位居高位，弱化了各企业成本控制能力的差异，但作为资金及技术壁垒相对较低的行业，当电解液处于合理的价格范围时，成本水平会极大影响企业的盈利能力。从目前各企业的扩产规模来看，未来电解液行业的竞争格局将日益激烈，成本管控能力将成为各企业的核心竞争力。此外，随着下游客户的需求逐渐多元化，电解液厂商配套能力的重要性日益凸显，预计未来电解液行业将演变为以成本管控为核心，以配套能力为辅助的竞争格局，行业龙头凭借超前的原材料一体化布局和规模化带来的成本优势，其新产能有望快于竞争对手投放，进一步提高其市占率，以量补价增厚公司利润，形成正向反馈，强者恒强。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。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400Wh/kg，2030年达到500Wh/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3800mAh/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。中国锂电池电解液企业产能区域电解液作为锂电池的血液，是锂电池四大关键材料之一，约占锂电池总成本的10-15%。一般电解液由溶质（提供锂离子）、溶剂（提供锂离子传输介质）和添加剂（少量使用、改善性能）共三部分组成，其作用是在正负极之间传导锂离子，为锂离子提供一个自由脱嵌的环境，是锂离子电池获得高电压、高比能的重要保证，决定着电池的比容量、循环效率、安全等性能。在锂电池电解液构成中，溶质和添加剂以及电解液的配方是电解液的核心，其技术水平对电解液的导电性、稳定性等至关重要，溶剂则相对来说影响不大。目前，电解液用溶剂主要包括直链型的DMC（碳酸二甲酯）、DEC（碳酸二乙酯）、EMC（碳酸甲乙酯）以及环状的EC（碳酸乙烯酯）、PC（碳酸丙烯酯）等五大类，其余的如醚类、氟代溶剂、砜类等还在研发试产中，市场占有量较小。溶质决定了电解液的基本理化性能，对锂电池的特性有着重要影响，目前主流的溶质为六氟磷酸锂（LiPF6）。随着新能源汽车产业对动力电池能量密度、安全性能等要求的不断提升以及正极材料向高镍化方向不断发展，需要更高性能的电解液与之相匹配。在此背景下，锂盐双氟磺酰亚胺锂盐（LiFSI）、双三氟甲基磺酰亚胺锂（LiTFSI）等新型电解质材料也开始逐渐应用于电解液的配方中。添加剂的不同配比对电解液的性能具有显著影响，因此添加剂技术存在较高的技术壁垒。目前锂电池电解液使用的添加剂主要包括成膜添加剂、过充保护添加剂、高/低温添加剂、阻燃添加剂和倍率型添加剂等几种类别。其中最重要的为成膜添加剂，其可让SEI膜更加致密、轻薄、具备良好的离子导电率，从而对电池的循环寿命起着重大决定作用。据高工产业研究院（GGII）数据显示，得益于动力电池、储能市场规模的大幅增长以及出口带动，中国电解液市场呈高速增长态势。2021年，中国电解液市场出货量为50万吨，同比增长近一倍。GGII预测，受全球新能源汽车终端产销量及储能市场带动，到2025年中国电解液出货量将达180万吨。从产能区域分布来看，中国电解液现有产能主要分布于华东地区，占比超65%。华东地区是动力电池产能的集中区，截至2021年底现有产能超300GWh，同时华东地区也是中国化工园区总数最高的区域，因此吸引了一大批电解液企业在华东地区投资布局。其次是华中地区，占比近20%，现有产能主要来自法恩莱特在湖南省的产能贡献。华南地区同样也是电解液企业主要布局的区域之一，天赐材料、新宙邦、珠海赛纬等电解液龙头企业总部均位于广东省，现有产能主要来自于头部企业的产能投放。华北地区的电解液现有产能主要为天津市和河北省的产能贡献，占比约为3%。目前西南、西北地区暂无电解液主要企业的产能投放。得益于四川省动力电池产业的高速发展，GGII认为，西南地区电解液产能在接下来几年有望得到飞速提升，跃升至中国区域第二位。东北地区由于锂电产业布局较晚，目前暂无电解液企业产能布局。未来电解液行业竞争格局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。而且从电解液的下游行业集中度来看，仅就动力电池市场而言，2021年中国动力电池市场CR3为72．4%，全球动力电池市场CR3为65．1%，行业集中度较高。因此下游龙头企业对包括电解液在内的上游原材料厂商的议价能力较强，除了要求电解液厂商拥有更强的成本控制能力之外，也对电解液厂商的研发和配套能力提出了更高的要求。从电解液行业竞争格局来看，未来行业的集中度有望进一步提高。根据高工锂电的统计数据，2018-2021年中国电解液行业集中度一直维持在较高水平，分别为73．73%、77．30%、77%、75%，预计未来电解液行业的集中度有望进一步提高，主要理由为（1）头部企业原材料话语权更强，且通过一体化布局实现部分原材料自给，产能利用率高；（2）下游电池行业集中度提升，而电池和电解液的头部企业合作紧密，因此电池端带动电解液端的集中度提升。复盘电解液历史，发现其价格走势受原材料影响大，与六氟磷酸锂价格相关性高。目前主要的溶质为六氟磷酸锂，是电解液的成本重心，因此电解液价格主要受六氟磷酸锂的影响，历史上电解液的价格走势与六氟磷酸锂的价格走势基本一致。其次，DMC作为电解液使用量最大的溶剂，其价格也对电解液价格有较大影响，不过从历史价格走势可以看出，DMC价格波动传导至电解液具有一定滞后性。通过复盘2016年以来电解液的价格走势可以发现：（1）2017年以前，受益于下游新能源汽车产业的迅猛扩张，电解液需求不断扩大，市场供不应求，价格一度保持上涨趋势；（2）2017-2020H1：电解液行业新增产能开始释放，但新能源汽车产销量因补贴退坡而下降，市场格局转为供大于求，电解液价格开始下跌，且2020年H1的疫情加剧了行业的景气度下滑；（3）2020H1-2022Q1：新能源汽车产业的发展由单纯的政策驱动转为政策和需求双驱动，在碳达峰、碳中和目标提出以及新能源汽车市场认可度提高的背景下，新能源汽车销量迎来攀升，拉动电解液需求高涨，加之储能领域需求的提高，市场格局再次变为供不应求，价格高涨；（4）2022Q2至今：疫情多点复发，部分新能源汽车企业供应链和生产受到影响，且电解液行业龙头企业新增产能逐渐释放，供需关系有所缓解不再紧张，价格逐渐下降。双氟磺酰亚胺锂：性能优异，六氟龙头率先技术突破实现降本相比六氟磷酸锂，LiFSI作为锂盐性能更加优异。六氟磷酸锂为目前最广泛使用溶质，但其仍存在热稳定性差，遇水易生成腐蚀性氢氟酸，造成电池容量衰减等问题，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，是目前最受国内外公司青睐，未来发展确定性最高的新型锂盐。LiFSI最常见制备方法有3种，其中以磺酰胺与二氯亚砜、氯磺酸为原料的制备方法为目前最广泛使用方法。LiFSI的制备通常包括三个过程：1）双氯磺酰亚胺的合成2）双氯磺酰亚胺氟化反应制备双氟磺酰亚胺3）LiFSI的制备。根据双氯磺酰亚胺的合成原料，双氟磺酰亚胺锂的合成主要分为三类:以磺酰胺与氯化亚砜、氯磺酸为原料，以磺酰氯、硫酰氟、氨气为原料和以氟磺酸、尿素为原料的制备方法。其中以磺酰胺与二氯亚砜、氯磺酸为原料的制备方法因可以有效提高产物的收率和纯度，安全性相对更高，制备过程易于控制等优点为目前最常用制备方法。但目前LiFSI制备过程中还存在易爆炸、溅液等危险因素，且步骤繁多、过程复杂、原料成本高、产品纯度相对较低等因素使得LiFSI生产成本较高，难以大规模商业化量产。未来待LiFSI生产技术进一步改善，生产成本降低，有望快速实现产业化。双氟磺酰亚胺锂综合性能优异，有望在未来实现对六氟磷酸锂的部分替代。从性能上看，LiFSI综合性能优于LiPF6，但目前由于技术难度大、成本高，LiFSI尚未直接用作溶质锂盐，而是作为溶质添加剂与六氟磷酸锂混用，主要用于三元动力电池电解液中以改善其性能。随着LiFSI生产技术不断突破，产品规模化大幅降本后，双氟磺酰亚胺锂有望逐步替代六氟磷酸锂。根据模型测算，假设到2025年双氟磺酰亚胺锂能取代50%的六氟磷酸锂需求，则2025年双氟磺酰亚胺锂的市场需求将达到15．2万吨，市场空间广阔。双氟磺酰亚胺锂需求上升带动原材料氯化亚砜需求上涨。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。氯化亚砜是一种常温常压下为无色或淡黄色有刺激性气味的液体，溶于苯、氯仿、四氯化碳，遇水易分解为二氧化硫和氯化氢，主要应用于医药、农药、染料、食品添加剂以及锂电池等行业。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。