2022年LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)上游工艺、成本及原料供给现状

2022年LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)上游工艺、成本及原料供给现状一、LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)产业概述锂电池电解液主要由溶剂、添加剂和锂盐三部分组成。锂盐方面而言，目前首选六氟磷酸锂，其实际优秀的导电率、稳定性和环保优点是使用的关键原因，但仍存在热稳定性差、易分解、最终产品氟化氢(高温下影响电池性能)、低温易结晶等问题。LiFSI的氟离子有很强的吸电子性，锂盐的阴阳离子间配位作用弱、活性强，具备的较高的稳定性和导电性能，相较六氟磷酸锂，具备导电率高、水敏感度低、热稳定性好等优势。LiFSI(双氟磺酰亚胺锂)产业地位LiFSI虽然性能更加优越，但高昂的生产成本在一定程度上阻碍了其市场的扩展。新型锂盐LiFSI可解决六氟短板，有望与六氟共同成为主流锂盐。LiFSI相较六氟在稳定和导电等方面优势，可整体提升锂电池多种环境的适应能力，尤其是随着主要增长动力来源新能源汽车动力电池高镍化、高电压化趋势，LiFSI正在成为众多电池和电解液企业的新选项，尽管LiFSI对铝箔产生腐蚀较高，但通过添加剂可以解决，未来LiFSI有望成为下一代电解液主流锂盐。主要锂盐的性能比较资料来源：公开资料整理高昂的成本和价格是LiFSI发展的关键阻碍，当前产品主要限制于技术和环保问题。但是近年来随着国内主要企业持续开发和产能扩张，整体技术的不断成熟，叠加产品规模化带来的边际效应，LiFSI的经济性开始显现。从LiFSI价格可见一斑，数据显示，我国LiFSI价格从2017年的单吨价格70万下降至2022年8月底的35万元/吨左右而六氟磷酸锂在2021年中旬受产业整体供需偏紧，价格一度高涨至60万元/吨，后续供需逐步达成新平衡，截止2022年10月末价格仍在30万元/吨左右，与LiFSI价格差距已整体较小。随着价格下降，LiFSI正在从添加剂角色升级为单独使用。数据显示，头部电池企业的LiFSI添加比例约为0.5%-3%，部分企业添加LiFSI的主流配方已经提升至3%-6%。随着4680大圆柱电池和宁德时代麒麟电池对整体锂盐要求提升，整体LiFSI使用比例将持续提升。2017-2022年8月LIFSI价格变动情况2022年全球LiFSI专利数量分布情况2016-2022年10月中国六氟磷酸锂价格走势图二、成本、技术工艺分类及优势随着LiFSI市场认可和需求持续增长，技术领域突破需求带动专利数量快速增长。当前国内国内多家企业和研究机构开始储存新型制备技术，通过缩短工艺流程、降低原材料单耗等方式对现有生产工艺进行改进，推动LiFSI进一步降本增效，加速LiFSI使用比例提升。专利数量变动情况而言，随着全球和国内相关企业和机构研发投入持续增长，专利公开量持续增长，数据显示，2022年LiFSI专利公开数量达新高，为454个，国内而言，截止2022年11月初，中国大陆总共有1041个专利数量，占比全球2072个一半以上。2017-2022年全球LiFSI专利申请及公开数量变动注：2022年截止11月9日注：2022年截止11月9日LiFSI因其良好结构稳定性和电化学性能等优异性能，由于其提纯、合成难度较大、排污处理难，导致其成本较高。LiFSI按照合成步骤可分为三步法和两步法(硫酰氟法)，现以两步法为主。三步法合成过程可分双氯磺酰亚胺的合成(氯化)、氟化、锂化三个主要步骤及后续的过滤洗涤等非关键步骤，主要原料包括氯磺酸、氯化亚砜、氨基磺酸、氯磺酰异氰酸(通过氨基磺酸和光气等制备而成)、三氯化硫等，氟化过程一般用氟化盐、氢氟酸(氟化氢)等；而两步法(硫酰氟法)跳过氯化过程，以硫酰氟及氮化锂为原料直接得氟化中间品双氟磺酰亚胺(HFSI)，目前采用该法生产企业较少。锂化过程一般用碱性锂或卤化锂。三步法LIFSI基本流程示意图LiFSI工艺分类及所需原料示意图三步法包括多种不同原料的生产方法包括以氨基磺酸、氯化亚砜、氯磺酸为原料；以氯磺酸、氯磺酰异氰酸为原料；以氯磺酸、三氧化硫和三聚氰氯等原料等多种工艺，按照企业的工艺改进和原料配比方式，不同企业原料使用之间仍有差距，如天赐材料在降本方面以三氧化硫替代氯磺酸以降本。就氨基磺酸路线工艺而言，整体原料成本占比较高，其中碱性锂受锂矿整体价格持续高涨，虽整体使用量相较氨基磺酸、氯磺酸和氯化亚砜等较少，但整体成本占比影响最大，相较氯磺酰异氰酸路线，氨基磺酸路线中氨基磺酸等原料可得性强，受上游非锂产品限制较小。中国制备LiFSI氨基磺酸路线成本结构占比制备LiFSI氨基磺酸路线异氰酸酯路线原料氯磺酰异氰酸酯一般由氯化氰和三氧化硫反应得到，原材料行业规模相对较小，且氯磺酰异氰酸酯单价更高，制备反应条件苛刻，制备需要加入光气，光气作为第三类监控化学品，我国对光气控制极严，光气生产资质获取难，扩产受限，后期大规模投产后光气生产资质将使氯磺酰异氰酸酯价格继续承压。就异氰酸酯路线成本结构而言，相较氨基磺酸整体环保费用占比较高，制作费用和人工之间差距较小，但整体锂化原料成本仍是主要成本影响因素。对比天赐材料(氨基磺酸路线)和多氟多(异氰酸酯路线)原料和溶剂的进入产品量、循环量以及进入三废量整体利用率均高于94%，部分原料单程转化率仍有提升空间，改进后可降低成本。中国制备LiFSI氯磺酰异氰酸酯路线成本结构占比资料来源：公开资料整理制备LiFSI氯磺酰异氰酸酯路线两步法(硫酰氟法)相较三步法整体工艺步骤省去了氯化环节，但对于工艺、温度等相关要求更为苛刻，如在温度方面硫酰氟法在进料时通常要求低于室温，反应过程中的温度一般维持在25℃左右。但是，它的反应会释放大量热量，且形成固体盐，难以迅速将热量传递出来，整体工艺控制难度高。原料主要为硫酰氟、六甲基二硅氮烷、氮化锂等，其中间产品与三步法同为双氟磺酰亚胺。目前国内硫酰氟法整体应用企业较少，天赐材料(原料为六甲基二硅氮烷)和多氟多(原料为氮化锂)具备专利储备。制备LIFSI硫酰氟法路线示意图2.3降本目前LiFSI制备工艺已相对成熟，龙头企业收率基本在95%以上，成本和价格是阻碍产业规模化替代的关键因素。为提升产业竞争力和提升利润水平，国内LiFSI主要厂商持续扩产同时改进工艺。按照降本方式，主要可分为三类别，一是氯化和氟化环节通过更换原料或修改配比提升收率、利用率或降低环保费用，如采用氟气或无水氟化氢作为强氧剂进行氟化并实现闭路循环，降低氟化成本，凯盛新材双氯磺酰亚胺的合成原材料直接采用三氧化硫，而非使用氯磺酸，可以有效减少氯化氢废气的排放，降低环保成本；二是副产品无害化处理并梯级回收，降低生产成本，如天赐材料回收副产二氧化硫省环保费用，回收副产氯化氢省制备二氯亚砜外购费用；三是规模化生产后能够进一步降本增效，数据显示，随着LiFSI规模化持续推动，单产制造费用可大幅度降低。LIFSI制备规模化成本变动简单测算资料来源：公开资料整理三、细分企业技术工艺和原料对比国内外已有企业生产并销售LiFSI，但整体规模不大，截止2021年产能约为1.164万吨，随着需求带动产能快速扩张，截至2022年8月底全球产能合计约2.26万吨。其中有6家产能在千吨以上，行业集中度高，CR3=80%，其中宁德时代控股子公司时代思康产能最大。根据各公司环评公示统计，大部分产能采用以氯化亚砜为原料的氯磺酸法。受限于产能规模、产能爬坡等因素影响，目前仅天赐材料出货量最高，多氟多、新宙邦、康鹏科技均有出货，呈现“一超多强”竞争格局。根据各家公司公告显示，无论是已经掌握技术的“老玩家”，还是新建项目的“新玩家”，纷纷加速产能布局，预计2025年前可投产，规划总产能约20万吨。截至2021年全球LIFSI主要企业产能分布情况就全球主要LiFSI制备企业专利布局现状而言，日本触媒在2009年就开始研发LiFSI工业合成方法，不仅在专利上布局最早，也仍在不断优化合成工艺，另外法国阿科玛和韩国天宝整体布局也较高，氟化环节相较国内整体以氟化氢为主，国际企业更加多元化，其中氟化铵和双氯磺酸亚胺的反应为液相反应，相对于气-液两相反应更容易进行，耗时短但需额外提纯，另外在氟气和其他氟化盐上均有专利。国内来看，整体氯化环节以三步法为主，硫酰氟专利天赐材料和多氟多各有布局，但整体应用水平较低，锂化环节主要以碱性锂为主。随着市场对新型锂盐关注度的提升，大量企业加码布局，国内企业在相关步骤持续加强竞争力，加速降本趋势和产业发展。目前主要企业在LiFSI合成领域的专利布局目前已有的LiFSI项目大多包含大量其他材料的制造，因此制造费用和人工成本较难通过环评报告直接获得。我们通过类比法，假定同类LiFSI技术路线的制造费用和人工成本相等，再结合各家环评报告披露的原材料成本测算目前部分LiFSI企业的制造成本。根据公司LiFSI环评报告，其工艺路线多个环节转化效率可超过95%，凭借自身原料高转化利用率的工艺优势可以极大程度的控制生产成本。国内主要LiFSI企业生产成本对比以2022年8月底LiFSI均价35万元/吨测算，当前天赐材料和多氟多毛利率占比超50%以上，福特电池毛利率45%以上。主要原因为天赐材料和多氟多技术研发和专利整体水平较高，原料降本明显。中国主要LiFSI企业生产成本利润对比四、原料供给和竞争现状1、氯化亚砜就氧化亚砜原料供给现状而言，数据显示，目前我国氧化亚砜成本结构中，直接材料占比超86%，液氯、硫磺和二氧化硫分别占比43.7%、11.2%和14.9%，近年来液氯价格整体波动棉线，从2020年的每吨850元左右增长至2022年4月的每吨1400元以上，二季度和三季度持续下降，主要原因是氯气属于联产产品的同时属于危化品，运输和储运复杂，供需背景持续变化背景下，价格波动明显；硫磺价格从2020年年初的每吨503元增长到2022年6月的3600元左右，随后整体需求持续偏弱，价格下降至千元左右。截止2022年上半年国内氧化亚砜整体产能达约57万吨左右，相较当前整体需求量存在过剩可能，主要受整体市场预期看好，主要企业持续扩产，行业利润整体持续下行，供给企业来看，CR3占比超50%，整体产能集中度较高。氯化亚砜工艺流程简图2021年中国氧化亚砜成本结构占比情况2、氯磺酸氯磺酸是一种无机化合物，化学式为ClHSO3，主要用于制造磺胺药物、糖精和制造染料中间体的磺化剂，也用于制造农药、洗涤剂、离子交换树脂、塑料等，军事上用作烟幕剂。氯磺酸供给现状而言，当前国内氯磺酸整体供给水平较高，整体分散，供给企业数量20家以上，上游重要原料硫磺进口依赖程度高，一定程度导致价格波动明显，2021-2022年受整体产业预期需求大增长价格增长明显，一度超过3500元/吨。进出口变动而言，我国氯磺酸以出口为主，2017年以来出口持续增长，2021年达4157.6吨，2022年1-8月出口2965.5吨，出口均价增长明显，进口来看，2017年以来我国氯磺酸进口数量极少，仅2021年进口15千克。2017-2022年8月中国氯磺酸进出口变动情况2021年6月-2022年10月氯磺酸价格变动情况3、氨基磺酸氨基磺酸是一种硫酸的羟基被氨基取代而形成的无机固体酸，化学式为NH2SO3H，可用于合成除草剂、防火剂、甜味剂、防腐剂、金属清洗剂等，其原材料主要是尿素和发烟硫酸,尿素作为大宗化学品易得性较强,发烟硫酸行业规模则相对较小。就整体供需现状而言，随着除草剂、甜味剂等下游需求持续带动，我国氨基磺酸产量持续增长，截止2021年产量已超过10万吨，净出口量约0.3万吨左右。2015-2021年中国氨基磺酸产需变动情况氨基磺酸价格变动而言，2021年以来受整体需求增长和LIFSI预期需求带动，产业景气度持续增长，带动企业开工率和价格持续增长，2022下半年以来，市场需求不及预期，整体产业价格回落速度较快。2022年1-11月中国氨基磺酸价格走势图4、碳酸锂和氢氧化锂就碳酸锂供需而言，随着下游消费电子和新能源汽车灯行业需求持续增长，我国碳酸锂需求逐年增长。根据数据，2021年产量达24万吨，增长明显，且整体产量仍供不应求，导致市场价格飙升。需求大增，国内碳酸锂供给已经无法满足全部需求，2021年上半年由于智利海运短暂中断导致国内碳酸锂进口量大减，整年来看进口量小幅度增长，需求小幅度下降主要价格高涨影响。2015-2022年8月中国氢氧化锂产需变动情况就碳酸锂供需而言，随着下游消费电子和新能源汽车灯行业需求持续增长，我国碳酸锂需求逐年增长。根据数据，2021年产量达24万吨，增长明显，且整体产量仍供不应求，导致市场价格飙升。需求大增，国内碳酸锂供给已经无法满足全部需求，2021年上半年由于智利海运短暂中断导致国内碳酸锂进口量大减，整年来看进口量小幅度增长，需求小幅度下降主要价格高涨影响。2017-2022年8月中国碳酸锂产需及进出口变动情况2021年开始，受益新能源汽车动力电池快速发展，碳酸锂和氢氧化锂等碱性锂整体供不应求，市场价格快速增长，到了2022年10月的现在经历三次价格爬坡之后价格已达到每吨50万元以上，增长幅度巨大。目前整体供求关系仍未改变，整体供给仍然有限，预计中短期内碳酸锂价格仍将处于高位。2019年-2022年10月中国碳酸锂和氢氧化锂价格走势全球锂资源储量主要集中在南美锂三角(玻利维亚、智利、阿根廷)占比约56.0%，中国占比5.7%位列第六，资源量较为丰富。从供应量上看，2021年全球锂资源供给量约为10万吨。目前全球锂产业受限于澳洲过高的资源供给集中度。2021年全球74%的锂用于下游电池生产，受益我国新能源汽车产销量大增，锂资源需求大增，供给持续偏紧，是下游碱性锂价格高涨的主要原因。2015-2021年全球锂矿产量变动情况5、氢氟酸根据纯度及应用领域，氢氟酸分为工业级氢氟酸和电子级氢氟酸。工业级由酸级萤石精粉及硫酸制备，受到严格管控与限制，而电子级氢氟酸逆势而上。就国内氢氟酸供给现状而言，2015年后产能部分出清后产需仍处于供过于求，根据数据显示，2021年我国氢氟酸产量约为165万吨，产能利用率相较2020年提升明显，达60%以上，加之行业整体出口量有限，2021年出口量为24.6万吨(未包括电子级)，国内高端电子氢氟酸产能约24万吨左右且整体生产能力较低，市场集中度较高。2018-2022年8月电子级氢氟酸进出口数量变动情况氢氟酸价格价格变动而言，2021年受整体制冷剂替代需求和动力电池大增带动新型锂盐需求增长影响，产业景气度持续增长，价格持续高涨，一度在年底价格超14000元/吨，2022年以来受整体需求偏弱且产业供给增长，价格持续回落。2019-2022年10月中国氢氟酸价格变动情况6、碳酸二甲酯(DMC)就碳酸二甲酯(DMC)整体供需现状而言，数据显示，2021年我国DMC产能达125.6万吨，同比2020年增长35.6%，其中30万吨来源于华鲁恒升的乙二醇技改。DMC按照纯度要求可分为工业级和电池级，工业级纯度要求99.9%，电池级DMC纯度要求达到99.99%甚