锂电材料LiFSI产业研究:锂电中游材料的下一个风口

锂电材料LiFSI产业研究:锂电中游材料的下一个风口
2021年12月03日 14:31 未来智库官网

(报告出品方/作者:中信证券,王喆)

1 新一代溶质锂盐 LiFSI 性能优异,未来可期

LiFSI 性能优越,有望成为下一代电解液用溶质锂盐

锂电池是目前商用电池中的主要电池类型,其重要组成部分包括电解质、正极、负极 和隔膜。锂电池的充放电过程是由锂离子经电解质在正负极之间往返的嵌入和脱嵌来实现。

目前主流商用电解质为液体电解质(俗称电解液),主要由溶质锂盐、有机溶剂和添 加剂构成。电解质从物理形态上可分为固体电解质和液体电解质(俗称电解液),其中电 解液基于溶剂种类还可分为水系电解液和有机(溶剂)电解液。目前商业化使用的电解质 主要为有机电解液,由溶质(锂盐)、溶剂(有机溶剂)以及添加剂构成。LiFSI 作为下 一代溶质锂盐是未来趋势。

溶质锂盐的选择很大程度上也决定着锂电池的容量、工作温度、循环性能、功率密度、 能量密度及安全性等性能。溶质锂盐不仅在锂电池中负责提供自由穿梭的离子和承担电池 内部传输离子的作用,还需与电极材料作用形成固体电解液膜(SEI),所以锂电池的锂盐 选择通常考虑:离子电导率、溶解度、稳定性、SEI 形成能力、铝钝化能力和抗水解性。

目前电解液溶质锂盐主要采用相对低成本的六氟磷酸锂(LiPF6)。溶质锂盐作为电解的核心组分,其电解液质量占比仅约 13%,但在电解液制造成本占比约 62%,因此锂 盐的成本会很大程度限制其在电解液中的应用。溶质锂盐主要分为无机锂盐和有机锂盐, 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,因 此综合性能满足当下市场要求的六氟磷酸锂(LiPF6,以下简写为 6F),凭借其低成本的优 势成为目前主流的溶质锂盐。

双氟磺酰亚胺(LiFSI)性能优异,符合未来电池电解液发展趋势。从材料特性来看, LiFSI 与 LiPF6 相比,拥有更好的导电性、更高的电化学和热稳定性以及抗水解性,可以在 高温环境下保持良好的电池性能。LiFSI 在电池中还可以形成更薄、更均匀的 SEI,可以有减小枝晶对电池结构的破坏从而提升稳定性。虽然 LiFSI 对铝制集流板有腐蚀作用,但 目前可以通过加入少量添加剂如 LiODFB 使铝提前钝化来克服。

LiFSI 与 LiPF6 混合使用也能一定程度单独使用 LiPF6 提升电池性能。LiFSI 以及衍 生物 NaFSI 还十分适合用于未来电池体系如锂硫电池(Li-S)、金属锂电池(LMB)、钠离 子电池(SIB)以及硅负极锂电池,符合未来电池电解液的发展趋势。因此我们判断 LiFSI 在电解液中的地位有望从目前的添加剂(占比 0.5%以下)逐步过渡到单独使用的锂盐(占 比 1%~15%),实现电解液溶质锂盐环节的技术更迭。(报告来源:未来智库)

LiFSI 经济性逐渐显现,2025 年市场空间有望超 300 亿元

6F 价格大幅上涨,LiFSI 制造工艺进步优化成本,新型锂盐经济性逐渐显现。随着我 国电动智能车和储能设备的高速发展,锂电池的市场需求快速增长致使 LiPF6 供需平衡偏 紧,价格步入上升通道,LiPF6已由2021年年初的10.7万/吨上涨至52.5万/吨,增长390.6%。 LiFSI 由于工艺成熟度有限、产物收率低导致价格偏高,限制了其在市场中的应用,但随着持续的技术突破和工艺优化,叠加产品规模化带来的边际效应,近年来 LiFSI 的成本及 售价逐步下降,2020 年市场价格约为 40 万元/吨,不到 2016 年价格的一半,LiFSI 和 LiPF6 之间价差逐渐缩小。

预计 2025 年 LiFSI 市场空间有望超 300 亿元。随着新能源产业发展,预计全球锂电 池需求将继续增长,电解液需求同时也会进一步增长。根据天赐材料、新宙邦环评信息, 每吨电解液对溶质锂盐的需求基本维持在 0.126 吨,但随着电池能量密度要求的不断提升, 电解液中有机溶剂占比会减少,溶质锂盐比例会变相增大。根据中信证券研究部新能源车 组对全球锂电装机量的预测,我们测算 2025全球溶质锂盐的总需求约为 25.83 万吨。 我们认为 LiFSI 作为锂盐将替代部分 LiPF6,2025市场渗透率有望达到 50%。基于 50% 渗透率,我们预测 2025其全球市场需求将达到 12.91 万吨,按照 25~30 万/吨价格计算, 市场空间约为 323-387 亿元。

2 LiFSI 合成工艺多样化,原料单耗持续优化推动降本

LiFSI 合成工艺多样化,基于氯化亚砜的氯磺酸法有望成主流工艺

LiFSI 产业进入快速发展阶段。1995 年,Michel Armand 博士首次提出将 LiFSI 作为 新型锂电池溶质锂盐,但由于该工艺中原料氟磺酸价格昂贵,且对生产设备的腐蚀非常厉 害,阻碍了其商业化进程。2012 年,日本触媒宣布已确立了溶质锂盐用 LiFSI 的工业制造 方法,次年,全球首个产业化级别的 LiFSI 生产线由日本触媒实现。中国企业对 LiFSI 的 产业化合成的研究始于 2015 年前后,并在 2017 年逐步落实产能,目前全球各大企业已开 始陆续投资布局规模化的 LiFSI 产能。

海外企业 LiFSI 合成工艺发展较早,而中国企业近年相继攻克 LiFSI 合成工艺。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。其后,欧美企业如法国阿科马也陆续攻克 LiFSI 合成工艺。根据现有可查阅 的资料,江苏华盛是我国 LiFSI 工艺研发的开拓者,与欧美企业大致相当,在 2012 年已 经成功掌握了 LiFSI 的合成技术。随着市场对新型锂盐关注度的提升,2015 年后大量企业 加码布局,韩国天宝和我国多家企业如天赐材料、新宙邦、多氟多、康鹏科技、氟特电池 等纷纷突破 LiFSI 合成工艺的技术壁垒。

氯磺酸法工艺控制难度较低,市场采用比例大。氯磺酸法中三个环节相对独立,而硫 酰胺法则可以缩短环节至两步甚至一步完成,在效率上优势明显。硫酰氟法在进料时温度 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,这无疑增加了工艺控制难度。氯磺酸法 要求的反应温度在 100℃左右,且产物溶于溶剂中,因此合成时温度控制容易。相较而言, 氯磺酸法具有安全易控等优点,所以目前大部分企业主要采用氯磺酸法,硫酰氟法仅有少 部分欧美企业使用。

氟化环节中,海内外企业对氟化剂的选择不同,国内企业主要采用的氟化氢路线。氟 化环节的核心在于如何更便捷地氟代双氯磺酸亚胺中的氯原子,目前国内外采用的氟化剂 主要为氢氟酸(氟化氢)和氟化铵,两种氟化剂工艺特点也较为鲜明。氟化氢和双氯磺酸 亚胺的反应为气-液两相反应,通常会加入催化剂,反应耗时也较长,但优点在于不会引入 杂离子,有助于双氟磺酸亚胺的提纯。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,通常可不添加催化剂,反应耗时短,但会引入杂离子在体系中, 需要额外的提纯步骤。目前我国企业多采用氟化氢,而海外企业则在氟化剂路线选择上更 为丰富,日本触媒和法国阿科玛在氟化氢、氟化铵和其他氟化盐上均有专利布局。

工艺进步效果显著,2019 年以来新工艺、新装置引领降本

LiFSI 旧工艺目前制造成本约为 27 万/吨。由于硫酰氟法较为小众,该工艺实际生产 中的具体信息披露较少,成本难以统计,我们主要测算对比了氯磺酸法工艺的成本。康鹏 科技披露的招股说明书揭示其氯磺酸法 LiFSI 的制造成本约为 27 万/吨,2016 年制造成本 较高在于该年 LiFSI 生产线属于产能爬坡阶段。但根据康鹏科技的环评,该生产线建设时 间较早,工艺成熟度有限,三个核心环节原料转化效率均未超过 55%,原料单耗较高导致 成本较高。此外,该工艺中选用氢氧化锂为锂化过程中的锂源,导致需要加入额外的氯化 亚砜作为脱水剂,产生了额外的制造成本。

LiFSI 新工艺目前制造成本已降至 12 万/吨左右。目前 LiFSI 工艺属于快速发展阶段, 更新较快,LiFSI 收率也在快速攀升。根据 2019-2020 年环评,我们以天赐材料的 LiFSI 项目的折旧费(房屋及建筑物和设备的折旧年限分别是 20 年和 3 年,年折旧率分别是 5% 和 33.3%)作为参考,按照环评定员人数估算人工费用,对当前新技术背景下的 LiFSI 制 造成本进行测算,结果显示,氯磺酸法 LiFSI 的制造成本目前已可控制在 12 万元/吨左右, 其中原料成本和能源成本为主要生产成本,分别约占总生产成本的 56%和 21%。考虑到 2019 年以来工艺的进步,我们认为当前 LiFSI 的制造成本有可能会进一步降低。

对比理论物料单耗,预计 LiFSI 仍有降本和工艺优化空间

目前 LiFSI 制造工艺中,部分核心原料使用效率偏低,后续仍有较大提升空间。比对 环评的物料实际消耗和基于化学方程式测算的理论物料消耗水平,我们发现,LiFSI 合成 第一环节(HCISI/HFSI 合成环节)除氯化亚砜外的所有原料,如氯磺酸异氰酸酯、氨基 磺酸、氯磺酸等,第二环节氟化环节的氟化剂,如氢氟酸(氟化氢)、氟化钾等核心原料 的使用效率都较低,均在 50%左右。

未来氯磺酸法每吨 LiFSI 成本预计可以降至 10 万左右。从前面分析中已知基于氯化 亚砜和基于氯磺酸异氰酸酯的制造工艺中多个核心原料都存在使用率较低的问题。依据 LiPF6 工艺成熟度(原料使用效率在 90%左右),我们对两种细分氯磺酸工艺路线的 LiFSI 成本进行了预测,考虑到人工成本和折旧成本的进一步优化,我们认为未来 LiFSI 制造成 本有望降至 10 万元/吨左右。

3 LiFSI 及相关材料需求有望爆发,龙头公司强者恒强

LiFSI 有望迅速放量,关注具备工艺、成本优势的头部供应商

LiFSI 需求有望呈现快速增长态势。受限于价格因素以及有限的工艺成熟度,目前 LiFSI 在市场极少作为锂盐,而普遍用作添加剂改善电解液导电性,在电解液中的添加量 不足 1%,市场需求约为数百至千吨级。LiFSI 出色的高导电率和宽工作温度将更能满足更 高能量密度的动力电池以及不同地区储能电池的应用要求。目前 LiFSI 制造成本已成功降 至 12 万/吨左右,而 LiPF6 的制造成本则在 8-10 万/吨左右,成本的下降将加速 LiFSI 在锂 盐领域的渗透。再结合锂电池需求高扩张拉动电解液锂盐刚性增长,因此我们认为 LiFSI 的需求在未来几年会以逐年倍增的速度增长,预计 2025 年需求为 12.91 万吨,约相当于 2020 年的 65 倍。

企业加码布局,产业链积极应对 LiFSI 需求爆发。根据目前已公开披露的企业规划统 计, LiFSI 产能有望在 2023-2024 年迅速增长,以匹配 LiFSI 需求爆发式增长。我们预计 2023 年以及 2024 年,产能将分别同比扩大约 3.7 万吨和 6.5 万吨;预计 2025 年 LiFSI 规划产能将达到13.7万吨,较2020年增长2135%,2020-2025年表观产能CAGR为86.1%。 未来 5 年全球 LiFSI 规划新增产能中 98%来自我国企业,其中天赐材料、永太科技和新宙 邦位列规划产能前三位,未来 3-5 年新增产能分别约为 6 万、2 万以及 1 万吨。

市占率趋势两级分化,龙头公司凭借技术及成本优势有望强者恒强。2020 年 LiFSI 的主要生产企业数量为 8 家,主要产能来自天赐材料、康鹏科技以及多氟多,其中天赐材 料市占率为 36%,LiFSI 产能 CR3 集中度为 73%。我们预测到 2025 年,LiFSI 的主要生 产企业数量增至 12 家,产能 CR3 集中度有望持平,但尾部的竞争将更为激烈。结合目前 披露的产能规划和专利储备情况,我们认为天赐材料进一步巩固市占率优势,其产能占比 将扩大到 40%以上,新宙邦、多氟多、康鹏科技和永太科技均有望成为 LiFSI 行业的重要 供应商。我们认为若 LiFSI 需求爆发趋势被进一步确立,具备技术和成本优势的头部供应 商如天赐材料、新宙邦、多氟多等有望加速、加大规模扩产以提升市占率。(报告来源:未来智库)

根据现有公开资料测算,天赐材料和多氟多 LiFSI 成本优势明显。若每吨 LiFSI 市场 价格为 45 万元,则 LiFSI 的毛利率普遍在 40%以上,其中天赐材料和多氟多目前披露的 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实现 超 70%毛利率。此外,由于新宙邦自 2021 年下半年起加速 LiFSI 产能规划,结合专利布 局情况,我们认为新宙邦的 LiFSI 成本可能也具备一定比较优势。

LiFSI 有望拉动成膜添加剂、集流体保护剂需求扩张

行业相关下游企业普遍已布局 LiFSI 电解液。从专利布局角度看,电池以及电解液企 业多数已拥有 LiFSI 相关电解液配方。相对而言,电解液企业在 LiFSI 电解液配方上的专利布局更为全面,且电解液配方的研究时间更早,基本在 2015 年及以前已经布局了相关 专利。电池企业紧随其后,目前电池企业中也有多家掌握了 LiFSI 作为锂盐的电解液配方。

LiFSI 材料特性驱动草酸硼酸盐 LiBOB 和 LiODFB 需求扩张。LiFSI 除 SEI 形成能力 较弱外,还存在对铝集流体的腐蚀问题,目前针对该问题解决方法是添加草酸硼酸盐,如 LiBOB 和 LiODFB 等 , 作 为 铝 集 流 体 保 护 剂 。 根 据 专 利 CN109994775A 以 及 CN105745780B 结果,我们推测 LiFSI 体系电解液中使用 LiODFB 作添加剂时的用量约为 3%,而使用 LiBOB 作添加剂时的用量将大于 3%。在 LiPF6 中草酸硼酸盐添加剂的用量基 本可以忽略,因此 LiFSI 电解液将作为 LiBOB 或 LiODFB 需求扩张的主要驱动力,我们预 计 2025 年该类添加剂市场需求为 3.0 万吨,较当前不足 2000 吨的全球产能有较大增长空 间,有望带来相关产业链的投资机会。

主流工艺核心原料氯化亚砜未来可能供需偏紧

核心原料氯化亚砜未来可能供需偏紧。我国氯化亚砜目前产能约为 34 万吨,氯化亚 砜作为性能优良的氯化剂,主要应用于农药、医药及染料等传统领域,2020 年需求量为 25 万吨左右。根据凯盛新材招股书, 2017-2019 年氯化亚砜需求 CAGR 约为 8.7%,考虑到氯化亚砜下游传统领域增速较慢,我们认为未来五年氯化亚砜下游传 统领域用量将以 2 万吨/年的新增量继续增长(对应 2021、2025 年同比增速分别为 8%、 6%)。

LiFSI 作为新兴领域,其快速发展会带动氯化亚砜的需求。基于新 LiFSI 的合成工艺 ——每吨 LiFSI 消耗吨耗 1.4 吨氯化亚砜,我们预测至 2025 年氯化亚砜的需求将达到 53 万吨,未来氯化亚砜可能出现供需偏紧情况。

4 投资分析

投资要点

LiFSI 性能优越,是新一代电解液锂盐的不二之选。作为电解液的核心部分,溶质锂 盐的选择在很大程度上决定着锂电池的各项性能。目前,低成本的无机锂盐六氟磷酸锂 (LiPF6)占据市场主导地位,但 LiPF6 因其化学性质不稳定、低温环境下效率严重不足等 缺陷,逐渐无法跟上锂电池发展的需求。LiFSI 具有离子电导率高、电化学稳定性高、热 稳定性高等优点,尽管对铝集流体会有腐蚀作用,但通过添加剂可以彻底解决该不足。基 于 LiFSI 作为锂盐的电解液更能满足未来电池性高能量密度以及宽工作温度的发展需求, 将成为替代 LiPF6 的最佳选择。(报告来源:未来智库)

LiFSI 市场空间广阔,预计 2025 年需求可达 12.9 万吨,市场空间可达 300-400 亿元。 锂电池需求的持续增长将驱动电解液、溶质锂盐的需求高增长。受限于价格因素以及有限 的工艺成熟度,目前 LiFSI 在市场极少作为锂盐,而普遍用作添加剂改善电解液导电性, 在电解液中的添加量不足 0.5%,市场需求约为数百至千吨级。在电池要求日益趋严的发 展背景下,随着工艺不断优化,成本下行导致经济性逐渐显现,预计 2025 年全球 LiFSI 需求有望达到 12.91 万吨,市场空间可达 300-400 亿元。

LiFSI 技术进步持续推进成本优化,基于氯化亚砜的氯磺酸法有望成为主流工艺,预 计相对复杂的合成工艺将导致未来 LiFSI 行业格局大概率为寡占型。

LiFSI 合成整体思路 相似,但存在细节差异,目前 LiFSI 合成环节依次为双氯磺酸亚胺(HClSI)合成、氟化和 锂化三个环节(前两个环节也可通过硫酰氯法一步完成)。LiFSI 工艺壁垒主要在于原料使 用转化率以及产物收率十分有限。经多年发展,目前基于氯化亚砜的氯磺酸法已经实现大 幅优化,2019 年以来部分企业已成功将制造成本控制在每吨 12 万元左右,较早期工艺实 现大幅降本。目前多数企业布局基于氯化亚砜的氯磺酸法工艺,但预计仅少数在化工合成 领域具备深厚技术积累的企业才可以达到较低的成本水平,享受较高的利润率。

未来 5 年 LiFSI 有望逐步进入产业导入和需求爆发期。在下游动力电池需求快速提升 的形势下,溶质锂盐的需求将大幅扩张。LiFSI 出色的锂电池性能以及降本带来的经济性 将加速 LiFSI 在锂盐领域的渗透。在双重因素作用下,我们判断 LiFSI 的需求在未来 5 年 有望以逐年倍增的速度实现快速增长,预计 2025 年市场需求将达 12.91 万吨。为确保市 场需求,企业正在加码扩大 LiFSI产能,我们预计 2020-2025年表观产能 CAGR将达 87.6%。

LiFSI 需求爆发驱动核心原料氯化亚砜、成膜添加剂、集流体保护添加剂需求扩张。 基于氯化亚砜的氯磺酸法有望成为 LiFSI 主流工艺,LiFSI 有望推动氯化亚砜需求迎来高速 扩张期。在新需求持续增长的推动下,我们预计在 2025 年氯化亚砜需求将达到 53 万吨, 行业可能出现供需偏紧,相关供应商有望受益。LiFSI 作为锂盐时 SEI 形成能力较差,且 对铝集流板有腐蚀性,使用时较 LiPF6 需大幅增加 VC 等成膜添加剂,以及草酸硼酸盐 LiBOB/LiODFB 等集流体保护剂的用量比例,因此 LiFSI 的快速发展将加速氯化亚砜和相 关添加剂的需求增长,我们预计 2025 年 VC、草酸硼酸盐类的需求将分别达到 3.7 万吨和 3.0 万吨,约为 2020 年的 8.4、65.3 倍。

投资分析

LiFSI 作为电解液溶质锂盐具有高导电率、高化学稳定性、高热稳定性的优点,更契 合未来高性能、宽温度和高安全的锂电池发展方向,是最有可能替代 LiPF6 的下一代锂电 池锂盐。经过近 10 年的探索发展和工艺优化,目前全球头部厂商对于 LiFSI 的工艺路线比 对选择已渐进尾声,我们预计未来 5 年 LiFSI 有望逐步进入产业加速导入、需求快速爆发 的发展阶段,预计 2025 年全球 LiFSI 需求有望达到 12.91 万吨,市场空间可达 300-400 亿元,发展前景广阔。

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。

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