電解液：鋰電池之“血液”

1.1.作用：離子傳輸載體、具備五大特性

作為鋰離子傳輸?shù)妮d體，電解液是鋰電池的四大組成部分之一。鋰電池的四大組成材料包括正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜。其中電解液是令鋰離子在正極與負(fù)極之間移動(dòng)的載體，是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一。在鋰電池的成本構(gòu)成中，正極材料成本占比最高，一般大于40%；其次是隔膜，成本占比在 20%-30%；負(fù)極成本占比一般小于15%；電解液成本一般占鋰電池總成本的 10%-15%。

作為鋰電池的“血液”，電解液應(yīng)具備五大基本特性。鋰電池電解液應(yīng)具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性、寬電位范圍、良好的導(dǎo)電性能、良好的熱穩(wěn)定性以及對(duì)環(huán)境友好。根據(jù)中國(guó)電池網(wǎng)數(shù)據(jù)，良好的化學(xué)穩(wěn)定性是指電解液不會(huì)與正極、負(fù)極、隔膜、粘結(jié)劑等材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；寬電位范圍是指電解液需要有 0-5V 的電化學(xué)穩(wěn)定窗口；電解液的導(dǎo)電性能一般需要達(dá)到10 -3~2×10 -3S/cm，確保其介電常數(shù)高、粘度低、離子遷移阻力小等；電解液的使用溫度范圍一般在-40℃~70℃；此外，電解液最好可以生物降解，不會(huì)污染環(huán)境。

按照溶劑物理性質(zhì)的不同，電解液可劃分為液體電解液和固體電解液。液體電解液主要應(yīng)用于圓柱及方型鋰電池中，固體電解液主要應(yīng)用于軟包電池上。根據(jù)航盛鋰能官網(wǎng)，固體電解液為新型電解液，成本高于液體電解液，目前應(yīng)用最廣泛的電解液為液體電解液。根據(jù)液體屬性的不同，液體電解液又可劃分為有機(jī)溶劑電解液和無(wú)機(jī)溶劑電解液，其中有機(jī)溶劑電解液使用較為廣泛。以下我們以有機(jī)溶劑電解液為主要討論對(duì)象。

1.2.組成：鋰鹽為核、溶劑為體

電解液主要組成成分包括電解質(zhì)鋰鹽、有機(jī)溶劑和添加劑。鋰鹽、高純度有機(jī)溶劑、添加劑等原料在一定條件下按照一定比例配置制成電解液。目前常用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，常用的有機(jī)溶劑包括環(huán)狀碳酸酯、鏈狀碳酸酯，常用的添加劑包括成膜添加劑、阻燃添加劑、過(guò)充保護(hù)添加劑和多功能添加劑等。其中有機(jī)溶劑是電解液的主體部分，其性能與溶劑性能關(guān)系密切，根據(jù) OFweek 數(shù)據(jù)，電解液對(duì)有機(jī)溶劑純度的要求在99.9%以上。鋰鹽主要用于提供鋰離子，確保電池在充放電過(guò)程中有足夠的鋰離子。添加劑種類較多，采用添加劑的種類主要由電池的用途和性能來(lái)決定。

鋰鹽成本占電解液總成本的比例最高。在電解液成本構(gòu)成中，2021年鋰鹽成本占電解液總成本的比例最大，為45%，對(duì)電解液價(jià)格影響較大，溶劑和添加劑成本占比分別為 25%和 20%。從質(zhì)量占比來(lái)看，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，有機(jī)溶劑質(zhì)量占電解液質(zhì)量約80%；其次是鋰鹽，占比約為 10%-15%；添加劑占比約為 5%-10%。

1.2.1.鋰鹽：LiPF6占據(jù)主導(dǎo)地位，LiFSI 入局企業(yè)增多

目前常用的鋰鹽為六氟磷酸鋰，生產(chǎn)工藝以氟化氫溶劑法為主。六氟磷酸鋰是目前的主流鋰鹽。相較于其他鋰鹽，六氟磷酸鋰具有較高的電導(dǎo)率、良好的離子遷移數(shù)、較強(qiáng)的電化學(xué)穩(wěn)定性以及耐氧化性，還可在碳負(fù)極上形成適當(dāng)?shù)?SEI 膜以及可有效鈍化正極鋁箔。六氟磷酸鋰的生產(chǎn)工藝主要有氣-固反應(yīng)法、氫氟酸溶劑法、有機(jī)溶劑法、離子交換法等，其中氟化氫溶劑法具有反應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)化率高、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前六氟磷酸鋰的主流生產(chǎn)工藝。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)六氟磷酸鋰產(chǎn)能加速擴(kuò)張，市場(chǎng)集中度高。伴隨著新能源汽車快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)積極擴(kuò)產(chǎn)六氟磷酸鋰。2017-2021年，我國(guó)六氟磷酸鋰產(chǎn)能從 3.62 萬(wàn)噸增長(zhǎng)至 9.55 萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率27.45%，其中 2021 年同比增長(zhǎng) 69.03%；產(chǎn)量從 1.42 萬(wàn)噸增長(zhǎng)至5.4 萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 39.65%，其中 2021 年同比增長(zhǎng) 91.49%。我國(guó)六氟磷酸鋰市場(chǎng)集中度高，以多氟多、天賜材料、江蘇新泰為主導(dǎo)。2022 年多氟多、天賜材料、江蘇新泰六氟磷酸鋰產(chǎn)能占國(guó)內(nèi)總產(chǎn)能的比例分別為26.03%、23.80%、13.51%，CR3 達(dá) 63.34%。

雙氟磺酰亞胺鋰為新型鋰鹽，具有替代六氟磷酸鋰的潛力。相較于六氟磷酸鋰，雙氟磺酰亞胺鋰（LiFSI）中 F?可以減弱鋰鹽陰陽(yáng)離子間的配位作用，進(jìn)而增強(qiáng) Li+的活動(dòng)性。因此 LiFSI 具有比LiPF6 更高的導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。此外，LiFSI 能顯著提升電池性能，包括低溫性能、循環(huán)壽命和耐高溫性能等，更契合鋰電池未來(lái)的發(fā)展方向。目前雙氟磺酰亞胺鋰是替代六氟磷酸鋰的最佳選擇。

目前國(guó)內(nèi)已有相關(guān)企業(yè)布局雙氟磺酰亞胺鋰。目前國(guó)內(nèi)已有雙氟磺酰亞胺鋰產(chǎn)能的公司包括多氟多、天賜材料、新宙邦、永太科技、康鵬科技、中欣氟材，合計(jì)產(chǎn)能為 1.01 萬(wàn)噸/年。其中天賜材料擁有產(chǎn)能較多，為0.63萬(wàn)噸/年，且其在建及擬建雙氟磺酰亞胺鋰產(chǎn)能達(dá)16 萬(wàn)噸/年。其次是永太科技、康鵬科技和多氟多，在建及擬建產(chǎn)能分別為6.7 萬(wàn)噸/年、1.5萬(wàn)噸/年、1 萬(wàn)噸/年，合計(jì)在建及擬建產(chǎn)能達(dá) 25.94 萬(wàn)噸/年。隨著未來(lái)雙氟磺酰亞胺鋰逐步放量，其有望逐步替代六氟磷酸鋰應(yīng)用于鋰電池領(lǐng)域。

1.2.2.溶劑：DMC 性能優(yōu)異、呈雙寡頭格局

有機(jī)溶劑為電解液主體，DMC 最為常用。有機(jī)溶劑是電解液的主體部分，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同劃分為環(huán)狀碳酸酯類有機(jī)溶劑和鏈狀碳酸酯類有機(jī)溶劑。環(huán)狀碳酸酯類溶劑包括碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），鏈狀碳酸酯類溶劑包括碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸甲乙酯（EMC）等。其中 DMC 氣味小、揮發(fā)性好、溶解能力強(qiáng)，可有效提升鋰電池的電導(dǎo)率，此外還具備低溫充放電性能佳、制作成本低廉的優(yōu)勢(shì)，是電解液中使用最為廣泛的有機(jī)溶劑。

近年來(lái)，電解液溶劑供給與需求同步增長(zhǎng)。以DMC為例，產(chǎn)能方面，2019-2021 年我國(guó) DMC 產(chǎn)能從 57.6 萬(wàn)噸上升至125.6 萬(wàn)噸，上升68萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 47.67%。表觀消費(fèi)量方面，2019-2021 年我國(guó)DMC表觀消費(fèi)量從 37.44 萬(wàn)噸上升至 53.11 萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為19.10%。2022年 1-7 月我國(guó) DMC 表觀消費(fèi)量為 44.77 萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)49.10%。新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)帶動(dòng) DMC 擴(kuò)產(chǎn)和需求增長(zhǎng)提速明顯。隨著未來(lái)新能源汽車滲透率進(jìn)一步提升，有望帶動(dòng)電解液溶劑需求持續(xù)上行。

電池級(jí)溶劑工藝難度大，呈雙寡頭壟斷格局。相比工業(yè)級(jí)溶劑，電池級(jí)溶劑純度要求至少達(dá)到 99.99%，更高純級(jí)產(chǎn)品要求甚至達(dá)到99.995%以上，且由于催化劑選擇要求高、提純難度大，國(guó)內(nèi)可以規(guī)模化生產(chǎn)電池級(jí)溶劑的企業(yè)較少。根據(jù)海科新源招股說(shuō)明書數(shù)據(jù)，當(dāng)前電池級(jí)溶劑市場(chǎng)較為集中，2020 年石大勝華與海科新源全球市場(chǎng)份額合計(jì)占比超55%，市場(chǎng)呈雙寡頭壟斷格局。

1.2.3.添加劑：改善電池性能、需求持續(xù)向好

添加劑可定向改善電池性能。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)︿囯姵匦阅艿囊笫遣煌模赏ㄟ^(guò)調(diào)整添加劑的種類以及用量來(lái)定向改善鋰電池的性能。添加劑產(chǎn)品種類眾多，包括成膜添加劑、導(dǎo)電添加劑、過(guò)充保護(hù)添加劑、控制水和 HF 含量的添加劑等。不同添加劑的作用效果也不相同。其中成膜添加劑可有效在石墨負(fù)極表面形成 SEI 膜，進(jìn)而抑制溶劑分子嵌入破壞電極，提高電池的循環(huán)性能與可逆容量；過(guò)充保護(hù)添加劑可提高電池安全性，防止電池爆炸；控制水和 HF 含量的添加劑可提高電解液穩(wěn)定性，進(jìn)而改善電池性能。

我國(guó)為電解液添加劑主要供應(yīng)國(guó)，出貨量逐年上升。我國(guó)為電解液添加劑主要供應(yīng)國(guó)，截至 2020 年末，我國(guó)電解液添加劑出貨量占全球添加劑出貨量的比例為 85.37%。2015-2020 年全球電解液添加劑出貨量從11.2萬(wàn)噸增長(zhǎng)至 28.7 萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為 20.71%；我國(guó)電解液添加劑出貨量從 6.2 萬(wàn)噸增長(zhǎng)至 24.5 萬(wàn)噸，年均復(fù)合增長(zhǎng)率為31.63%，增速高于全球水平。未來(lái)鋰電池需求進(jìn)一步提升，有望帶動(dòng)電解液添加劑需求上行。

國(guó)內(nèi) VC、FEC 添加劑出貨量集中度較高。VC 方面，2020年VC前五大企業(yè)出貨量合計(jì)達(dá) 78.6%，其中江蘇盛華出貨量位居第一，為31.4%；其次是瀚康化工和青木高新，出貨量占比分別為14.1%、11.8%。FEC方面，2020 年 FEC 出貨量位居前三的分別為江蘇盛華、瀚康化工和蘇州華一，占比分別為 48.8%、27.1%、11.4%，合計(jì)達(dá)87.3%。

1.3.產(chǎn)業(yè)鏈：上游為化工原料、下游為鋰電池

電解液上游為基礎(chǔ)化工原料，下游應(yīng)用于動(dòng)力電池、3C電池、儲(chǔ)能電池。鋰電池電解液位于產(chǎn)業(yè)鏈中游，其上游主要為基礎(chǔ)化工原料，包括碳酸鋰、無(wú)水氫氟酸、甲醇、環(huán)氧丙烷等。下游主要應(yīng)用于動(dòng)力電池、3C電池和儲(chǔ)能電池，2021 年需求占比分別為 60%、30%、10%。

電解液生產(chǎn)工藝主要包括提純、配置攪拌、灌裝，核心為原料配方。電解液生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，首先對(duì)原料溶劑進(jìn)行提純，之后根據(jù)配方將提純后的溶劑、溶質(zhì)、添加劑按順序加入反應(yīng)釜，在一定的溫度下按照特定的速度充分?jǐn)嚢琛⒒靹颍詈髮?duì)電解液實(shí)行灌裝處理。電解液生產(chǎn)環(huán)節(jié)的核心技術(shù)是原料的配方。目前電解液配方的研發(fā)形式可劃分三種，一是由電池生產(chǎn)商研發(fā)，二是電解液生產(chǎn)商與電池廠商合作研發(fā)，三是由電解液生產(chǎn)廠商獨(dú)立研發(fā)。

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