电解液添加剂构筑电池核心竞争力

1、电解液添加剂：锂电电解液核心竞争力电解液添加剂用量小，作用大电解液添加剂成本占比不大，近 10%。锂电池电解液是一种混合物，包括溶剂、电解质、添加剂三大部分，其质量占比分别为 83%、12%、5%。据钜大锂电数据，鉴于各组分单价的不同分别占电解液成本为 30%/50%/10%。常用的锂电电解液包括线型碳酸酯：碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等，以及环型碳酸酯：碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）等。由于单一的有机溶剂性能不佳，大部分商用溶液由线型与环型碳酸酯混配而成，其中 DMC 和 EC 占比较高。常用的电解质是六氟磷酸锂。常用的添加剂主要是碳酸亚乙烯酯（V

2、C）与氟代碳酸乙烯酯（FEC）。图表 1:成本结构10%10%30%50%电解质电解液添加剂其他资料来源：钜大锂电，中金公司研究部电解液添加剂种类繁多，作用不尽相同。以电解液添加剂作用来分，可分为成膜（SEI 膜/CEI膜）添加剂、导电添加剂、阻燃添加剂、过充保护添加剂等；按照电解液添加剂组成来分，可分为含硫添加剂、含磷添加剂、含硼添加剂、氟代物添加剂、腈类添加剂、酸酐类添加剂、锂盐类添加剂等。其中，成膜添加剂是近年来研究较多的种类之一，其能够有效改善电极与电解液界面结构，提高电池性能。图表 2: 电解液添加剂分类种类作用代表产品成膜添加剂形成良好的SEI/CEI膜，允许锂离子自由进出并阻碍溶

3、剂分子进出，抑制溶剂分子共嵌入对电极的破坏，提高了电池的循环性能与可逆容量分为有机成膜添加剂（如VC等）与无机成膜添加剂（如LiBOB等）导电添加剂提高导电能力，提高锂盐的溶解，电离及抑制溶剂共嵌入的能力分为电解质离子作用型、与阳离子作用型、与阴离子作用型阻燃添加剂添加不易燃、闪点高、沸点高的溶剂来改善电池安全性能DMMP等过充保护添加剂添加一定的氧化还原对，当电池充满电或者略高于该值时，添加剂在正极氧化，然后扩散至负极发生氧化还原反应苯基环己烷等改善低温性能添加剂扩宽电池使用范围N,N-二甲基三氟乙酰胺等六氟磷酸锂与水反应生成HF，而氧化铝、氧化镁与锂的碳酸控制水和HF含量的添加剂盐等容易与

4、水及HF反应，降低水与HF含量可以阻止电极的破，提高电解液稳定性，从而改善电池性能其他/多功能添加剂多方面改善电解液性能复合添加剂资料来源：CNKI，中金公司研究部成膜电解液添加剂可有效改善电池关键性能。采用能量密度更高的正负极材料（如高镍正极、硅碳负极）、提高电压等是提高电池能量密度的两个重要方法，但是过程中容易出现锂析出、电解液在电极界面处氧化分解等问题，从而带来循环寿命下降、倍率性能下降以及首效降低等负面影响。而成膜电解液添加剂是解决该问题的重要手段。SEI/CEI 膜可有效隔离电极与电解液。SEI 膜是固体电解质界面膜（solid electrolyte interface）的简称，实

5、质是在电极与电解液之间产生的钝化层，允许锂离子自由进出并阻碍溶剂分子进出，抑制溶剂分子共嵌入对电极的破坏，提高了电池循环性能等。当然，SEI 膜还具有电子绝缘的特性，阻止了电解液与电极持续反应，抑制了电解液的分解。按成膜位置分，可分为负极 SEI 膜与正极 CEI 膜（cathoed electrolyte interface）。其中，负极 SEI 膜厚度约为 100-120nm，主要由各种无机成分（LiOH 等）以及有机成分（ROLi 等）构成；正极 CEI 膜仅有 1-2nm，主要由 LiF 与 Li2CO3 等组成。图表 3: 不同的电解液添加剂所构建的 SEI/CEI 膜示意图资料来源

6、：Energy Storage Materials，中金公司研究部在锂离子传导过程中，SEI/CEI 膜特性影响巨大，成膜添加剂可对该膜进行修饰稳定。SEI/CEI膜对电池核心性能影响巨大，其厚度、致密性以及导电性都会带来巨大影响，但基于不同的性能需求，对膜的参数要求往往是相悖的，如更薄、导电性更好的 SEI/CEI 膜有利于提高电池功率与低温性能；但是若需要提升电池的高温性能或者循环性能则需要更厚的 SEI/CEI膜，且具有一定的强度或者韧性。成膜添加剂的作用就是针对不同的需求修饰并稳定 SEI/CEI膜，在提升电池循环性能的同时尽可能改善界面阻抗等。图表 4:LIOTFB 在电极上的成膜机

7、理资料来源：Journal of Power Sources，中金公司研究部图表 5: 二氟磷酸锂添加剂对循环寿命的影响图表 6: 二氟磷酸锂添加剂对阻抗的影响 资料来源：Electrochimica acta，中金公司研究部资料来源：Electrochimica acta，中金公司研究部VC 是最常用的成膜添加剂之一，效果显著。碳酸亚乙烯酯（VC）介电常数高、黏度低，最早由日本 Sanyo Electric Company 公司发现，直至目前仍是最常用的电解液添加剂之一。其可以在石墨负极表面形成 SEI 保护膜, 抑制溶剂碳酸丙烯酯对石墨的插层反应，同时在正极 CEI 膜中也发现了 VC 的

8、分解产物，证明其有降低正极界面处电解液的氧化速率的作用，可以显著提高电池循环寿命等性能。图表 7:VC 产品是目前最常用的添加剂公司主要产品张家港瀚康 碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、1,3-丙烷磺酸内酯（1,3-PS）、丁二腈（SN）、三(三甲代甲硅烷基)硼酸盐（TMSB）等碳酸亚乙烯酯（VC）、氯代碳酸乙烯酯（CEC）、硫酸乙烯酯（DTD）、氟代碳酸泰兴华盛乙烯酯（FEC）、二草酸硼酸锂（LIBOB）、二氟草酸硼酸锂（LiDFOB）、三（2,2,2-三氟乙基）磷酸酯（TFP）等苏州华一碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC）、1,3-丙烷磺酸内酯（1,3-PS）、乙烯

9、基碳酸乙烯酯（VEC）等资料来源：各公司官网，中金公司研究部新添加剂的研发迫在眉睫。经研究发现，低电压与低温下，1-2%VC 添加量可以对大部分电解液电化学性进行一定程度的改善，提高电池性能。但是其缺点是在高温或高电压下对电解液电化学性能的改善较差，并且会导致内阻增加，降低电池高温下的存储和循环性能。面对当前电池高电压以及硅碳负极等新高容量材料的需求，亟需新的添加剂与其复合使用。传统成膜电解液产品三足鼎立，市场空间快速发展，新品研发难度大传统成膜电解液产品成三足鼎立格局。在目前使用的 100 多种添加剂中，最常用的是 VC与 FEC，可称之为传统成膜电解液添加剂。由于泰兴华盛、苏州华一（已经被

10、奥克股份收购 35%股权）、张家港瀚康（已经被新宙邦收购 100%股权）三家研发时间早，专利布局完善，工艺与成本优势明显，其他企业难以进入传统成膜添加剂的生产领域，垄断竞争格局明显。当前添加剂为利基市场，未来发展空间大。当前添加剂在电解液中质量占比约为 5%，其中 VC 与 FEC 目前在电解液中含量 2-3%。根据高工锂电与鑫椤资讯统计，预计 2021 年全球电解液需求约为 40 万吨，按照当前添加剂的质量占比 5%测算，全球添加剂需求约 2 万吨，其中 VC 与 FEC 总需求约为 1 万吨。未来我们认为添加剂发展空间大的原因有：新能源汽车行业重新步入快速发展轨道。据中汽协数据，2020

11、年 8 月，中国新能源汽车销量为 10.9 万辆，同比增长 25.8%。据 Marklines 数据，2020 年 7 月，德国、法国新能源汽车销量为 3.6、1.7 万辆，同比增长 289%、298%。中国新能源汽车销量开始复苏，欧洲新能源汽车销量需求持续爆发，行业重新步入快速发展轨道；锂电在储能等领域渗透率逐渐提高。5G 网络建设加速，根据 CIAPS 数据统计，2025 年通信铁塔数目有望增至 1300 万座，全球基站锂离子电池需求将达到 60GWh。根据鑫椤资讯测算，到 2025 年铁锂在储能领域需求或可达到 80GWh；传统添加剂添加量有望进一步提高。如 VC 添加剂在磷酸铁锂电池中

12、目前添加量为1.5-2.5%，未来可能提高到 5%；FEC 在三元电池中目前添加量仅为 1-1.5%，但是由于其对硅碳负极存在延缓粉化保护电极的作用，添加量预计会有所增加。据行业专家透露，FEC在韩国一款电解液添加量达到 5%-13%，基本作为溶剂使用；高镍等体系安全性对新型添加剂的需求结构性提升。目前常用的添加剂有 100 多种，但是进入实验室研究的有 1000 多种，其中硫酸乙烯（DTD）/二氟磷酸锂（LFO）/双氟磺酰亚胺锂盐(LiFSI)等效果表现优秀，对高镍高压等体系适用性好。(万辆)图表 8: 中国新能源汽车销量情况图表 9: 欧洲（不含俄罗斯）新能源汽车销量情况 250,000(

13、辆)China EV sales: all EVs 1412200,00010150,00086100,000450,00020Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 2015 2016 201720182019 20200Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 20152016 2017 2018 2019 2020 资料来源：中汽协，中金公司研究部资料来源：Marklines，中金公司研究部图表 10: 铁锂储能需求预测8073654024152.73.13.55.28.1908

14、0706050403020100201520162017201820192020E2021E2022E2023E2024E2025E铁锂电池在储能领域需求（GWh）资料来源：鑫椤资讯，中金公司研究部近年来国内厂商越来越重视知识产权，也取得了不少成绩，但是与国外的差距仍在，其原因有以下两点：1）国外锂电池研发领先，专利布局早。1991 年日本索尼公司就公布了首个商用锂离子电池，国外整体研发投入大，并且专利意识强，布局早。2016 年日本电解液添加剂专利数量近 1200 个，而中国约 700 个。并且国外的专利中新型电解液居多，中国多为功能型电解液与电解液应用专利，价值有限。2）研发难度大，不仅体

15、现在研发配方上，还在于与下游的配合。与半导体材料类似，新型添加剂的开发周期长，3C 领域需要 1-2 年，而动力电池领域甚至需要 5-10 年。一是电池对产品的纯度需求高，3N-5N 产品提纯技术复杂；二是 know-how 与工艺经验积累同样重要。电解液配方的变化会引起循环寿命、首效等多因素变化，要进行大量重复实验，以明确添加剂加入的效果；三是技术迭代快，产品差异性大。整个锂电产业技术尚处于飞速发展中，添加剂的发展需要配合下游新技术的发展，不同的锂电技术需要的添加剂配方是不同的；四是要求产品产业化成本低。油电平价才能够实现新能源汽车的快速普及，而目前动辄几十万/吨的添加剂很难快速放量。电解液

16、添加剂成为电解液企业核心竞争力差异化添加剂已经成为电解液核心竞争力的关键体现。以新宙邦为例：新宙邦最早于 2013年开始研发高温添加剂磷酸三丙炔酯（TPP），其研究结果表明 TPP 可以生成性能优异的 CEI膜与 SEI 膜，有效地抑制气体的产生，减缓电池阻抗的增长，并且可以抑制负极锂枝晶的形成。相比于同类产品 1,3-丙磺内酯（PS）和硫酸乙烯酯（DTD），TPP 更加环保并且性能更加稳定。差异化添加剂会带来产品附加值的提升。由于溶剂体系以及电解质短期内并无变化，开发差异化的电解液添加剂与配方就成为企业提升产品附加值的重要策略。以高电压电解液为例，2020 年 9 月初，高电压 4.35V

17、电解液价格为 5.6 万元/吨，而高电压 4.4V 电解液价格为7.0 万元/吨，价格提高了 25%。未来我们看好能够开发出批量用于高镍/高电压/硅碳负极的电解液配方的企业。图表 11:新宙邦新型添加剂 TPP资料来源：ACS Applied Materials & Interfaces，中金公司研究部电池级 DMC 寡头垄断，供给紧张，涨价或将持续电池级 DMC 技术难度高，验证周期长。DMC 可分为工业级 DMC 与电池级 DMC，前者用于涂料、聚碳酸酯等，产能过剩，常年开工率在 50%左右；后者是锂电池电解液最常用的溶剂之一，一般通过工业级产品精馏而得，对产品纯度要求高，一般在 99.9

18、99%以上，工艺难度大，叠加下游电解液客户验证周期较长，产品壁垒高。电池级 DMC 行业有效供给不超过四家，石大胜华与海科市占率超 90%。由于电池级 DMC工艺壁垒高，下游验证周期长，据卓创统计，电池级 DMC 有效产能约为 10 万吨/年，目前市场上有效供给不超过四家，其中石大胜华产能约占 70%，海科市占率约为 20%。从新增产能情况看，奥克股份称年底有近 3 万吨电池级 DMC 产能，目前尚处于装置调试中；新宙邦公告自建电池级 EC 与 DMC 产能，但是目前尚没有中试公告；石大胜华泉州一期项目采用 EO-EC-DMC 工艺，建成 2 万吨/年 EC 与 10 万吨/年 DMC 产能，

19、预计将于 2021 年 4 月投产。DMC 本月环比上涨 51.6%，因成本上涨与供需偏紧的涨价或将持续。自 2020 年 7 月以来，原料环氧丙烷价格持续上涨，相较于 7 月初目前环氧丙烷价格上涨 96.0%至 10360 元/吨。另外，国内新能源汽车销量回暖，2020 年 8 月，中国新能源汽车销量为 10.9 万辆，同比增长 25.8%，拉动电解液需求。而供给端海科新源、中盐红四方停车检修，市面上目前仅有石大胜华提供电池级 DMC 溶剂，装置超负荷生产，货源紧张，溶剂 DMC 等价格持续攀升。根据卓创资讯与百川数据，截止今日，溶剂 EC、DMC 价格相比 7 月初分别上涨 10%、102.0%。（其中，EC 采用石大胜华电池级价格，自 8 月 28 日起停止报价，故采用 8 月 27 日数据）图表 12: DMC 与环氧丙烷价格图表 13: 2019 年电池级 DMC 产能占比 16,000(元/吨)14,00012,00010,0008,0006,0004,0002,000-10%20%石大胜华70%海科其他2015/1/22015/6/22015/11/22016/4/22016/9/22017/2/22017/7/22017/12/22018/5/22018