电解液产业专题报告：添加剂重塑格局，迎接电解液第四轮技术红利

（报告出品方/作者：广发证券，陈子坤、纪成炜）

一、核心环节轮动，前瞻电解液产业格局变化

（一）新能源汽车打造电解液 5 年 10 倍成长

电解液是锂离子电池的重要原材料，它同正极、负极、隔膜一起组成了锂电池 的基本结构。锂电池放电时，由于正负极电势差，电子由负极出发通过外接电路到 达正极形成电流。同时在电解液的溶液环境下，+1价的锂离子从负极出发通过隔膜 到达正极完成循环。充电过程即为逆过程，在充放电循环中，电解质的本质作用就 是稳定传导锂离子：传导是电解液的本质特征，稳定是电解液的性能要求。

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（1）传导锂离子要求电解液具有高电导率，锂盐便成为了电解液的重要成分— —溶质，因为锂盐在液体环境下能够轻易电解出锂离子。锂盐需要的液体环境便是 另一重要成分——溶剂。目前市场上常用的溶质集中于六氟磷酸锂（LiPF6），具 备全方位的优良性能和最强竞争力，而其他类型的电解液溶质如四氟硼酸锂（LiBF4） 等商业化应用较少。

（2）溶剂方面，传统蓄电池均使用水作为电解液溶剂，但由于锂电池放电电压 远高于水的电解电压（1.2V左右），有机溶剂成为产业化选择。常用的溶剂有碳酸 乙烯酯(EC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。国内 常用电解液体系有 EC+DMC、EC+DEC、EC+DMC+EMC、EC+DMC+DEC 等。

（3）电解液稳定传导的性能要求来自于第三大组成成分——添加剂。它主要包 括了5项功能指标：①高工作电压：它是锂离子电池高能量密度的关键。②较宽的可 用温度范围。③较好的阻燃性。电解液中可燃的有机溶剂是电池安全性的主要问题。 ④优秀的成膜性能。添加剂对锂电池正极、负极和隔膜成膜保护能有效提高锂电池 的循环性能。⑤进一步提高溶质的导电率。电解液厂商根据不同的客户需求选择合 ​适​的添加剂。

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溶质成本为电解液成本主要构成。 电解液成本主要由材料成本构成，其中溶质 成本最高，约占总成本的57.4%，目前主流溶质选用六氟磷酸锂，其价格的波动是 影响电解液价格的主要因素；添加剂占原材料成本的25.7%，添加剂对锂电池的安 全性、循环寿命、高低温性能等有着重要的影响；溶剂约占总成本的10.9%。为进 一步提升锂电池性能，高纯添加剂和新型溶质的研发将成为电解液产品升级的发展 方向。

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电解液生产流程较为简单，主要包括处理提纯、混合搅拌和罐装出货三步， 所 使用的原料储存罐、搅拌釜、管道以及各种表机均是标准设备，没有特殊的物化要 求。因此，电解液生产的技术核心来自于原料配方。其中，溶质与溶剂的成分较为 简单，工艺也已十分成熟，添加剂便成为了差异化战略的关键。优秀的配方不仅要 充分满足客户的性能指标，更要与电池的其他材料较好兼容。

2021年全球市场电动化同频共振，动力电池迈向TWh时代，锂电材料拥抱大宗 化趋势 。2020年三季度以来新势力和传统车企密集投放车型，夯实2021年中国市场 由政策驱动向产品驱动转型的趋势，而政策支持下车电分离模式兴起，预计2021年 传统车企将加快投放换电车型，撬动公共领域电动化，共同打开长期增长空间。海 外市场上，欧洲在补贴、税收优惠、碳排惩罚和补贴等综合调节手段影响下，2021 年仍将实现较高增速，美国市场在新能源SUV和皮卡的产品周期推动下，2021年有 望启动景气周期，我们预计2021年全球新能源汽车销量可达571万辆，考虑整体续 航里程的稳步提升增加单车带电量，对应2021年动力电池总需求约356GWh，六氟 磷酸锂需求量约7.6万吨，电池级溶剂总需求量约48.4万吨。

（二）四轮产业红利，重塑全球格局

2001年电解液实现了国产化，2004年国内企业的全球生产份额逐年提升，以国 泰华荣、天津金牛为代表国内厂商陆续配套国内锂电池客户，全球份额达到30%以 上，2011年前后在电解液重要原材料六氟磷酸锂在多氟多、天津金牛等厂商努力下 实现国产化后，成本优势进一步发挥，2014年后顺利突破全球份额50%，至2017年 已达到69%，中国已成为全球第一大电解液生产国。

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1.2011年以前：日韩凭借锂电池先发优势，在电解液领域占据主导

锂电池产业化诞生于日本，1990年索尼率先研制成功锂离子电池，1992年推出 商业化可充电氧化锂钴离子电池，并重新命名为“Li-ion”。日本锂电池产业率先商 业化后保持全球25年领先地位，其产业链配套能力及研发能力一枝独秀，以三菱化 工、宇部兴产等代表的日本电解液成为行业寡头，在九十年代便已陆续申请专利， 2000年日本企业的电解液市占率高达95%。日本企业早期研发投入，布局电解液专 利，构成中长期竞争力。

韩国锂电池企业起步较日本稍晚，在日本率先实现锂电池商业化后，2000年左 ​右​吸收引进日本锂电技术，利用财团优势和国家力量，铸就了LG化学、三星SDI、 SKI三大锂电池企业。韩国电池企业的崛起拉动了国内以韩国旭成、Soulbrain为代 表的电解液厂商挤占日本市场份额，甚至在2009年超过日本成为全球电解液第一生 产大国，韩国旭成2010年开始也超越宇部兴产成为全球第二大电解液厂商，仅次于 三菱化学，2012年问鼎全球。

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2.2011-2015年：六氟磷酸锂实现国产化，新宙邦率先崛起

多氟多等国内企业突破工艺和产能限制，改变日本垄断格局。2004年之前，日 本的森田化学关东电化和瑞星化工垄断了六氟磷酸锂行业，2004年天津金牛年产80 吨装置投产，打破了日本长期垄断，六氟磷酸锂价格应声下降至30-40万元/吨。2011 年开始，以多氟多为代表的多家国内企业通过购买专利、自研等多种方式成功实现 量产，开启国产替代。

内需急速扩大+核心原材料国产化，国内电解液龙头逐渐称雄全球。 2014年以 来国内新能源汽车市场进入快速导入期，动力电池的需求迅猛增长，与此同时，随 着六氟磷酸锂的国产化，成功解决核心原材料掣肘的国内电解液龙头展现出了竞争 优势。2015年新宙邦率先冲破重围，以9.7%的全球市占率与韩国旭成并列全球第一， 至2016年国内三大厂商国泰华荣、天赐材料和新宙邦已成为全球前三大电解液厂商， 合计市场份额达到35.4%。

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2012年之后在韩国旭成的成功经验指导以及中国实现原材料六氟磷酸锂国产 化冲击下，三菱化学、宇部工业和中央硝子日本前三大电解液生产商纷纷进入中国 市场通过合资方式寻求市场突破。 其中，中央硝子作为仅次于三菱化学和宇部工业 的日本第三大电解液及六氟磷酸锂厂商在进入中国市场最为积极，2009年4月与上 海康鹏在浙江衢州合资成立中硝康鹏（持股60%），2015年3月宣布新增电解液产 能6000吨，投产后总产能近1万吨；2010年11月与石大胜华合资成立东营盛世（持 股70%）共建3000吨六氟磷酸锂的生产项目，但最终于2012年11月中止，2018年3 月又与天赐材料合资成立天赐中硝（持股35%）建设6万吨液体六氟磷酸锂产能，形 成技术与市场的互补。

3.2016-2021年：液态六氟技术优势浮现，天赐材料把握核心环节利润

至2017年电解液国产化率已接近100%，国产厂商已经在国内市场实现全覆盖， 甚至新宙邦、国泰华荣已经规划东欧建厂配套韩国企业，而外资电解液厂商出现巨 额亏损，选择合并业务以面临激烈竞争，甚至直接外售退出市场。

（1）三菱化学和宇部工业合并中国电解液业务 。2017年4月日本三菱化学和宇 部工业宣布合并在中国的电解液业务，以应对中国市场的激烈竞争。三菱化学将其 在华电解液子公司常熟菱锂电池材料有限公司50%股权转让给宇部兴产，同时宇部 兴产将其间接持股100%在华电解液子公司张家港安逸达经营权转让给合资公司，并 且两家子公司的制造地将统一向常熟转移合并。三菱化学擅长于动力电池领域，而 宇部工业在数码电池见长。作为老牌全球最大电解液厂商，两家公司合并旨在消除 连年亏损，共享专利，巩固市场地位。

（2）巴斯夫逐步退出电解液市场 。2017年5月，新宙邦1美元收购德国巴斯夫 电池材料苏州公司（2012年收购的电解液厂商苏州诺莱特），并为其2.13亿元债务 提供担保。苏州巴斯夫2016年营业收入1.67亿元，亏损1.70亿元。

液态六氟技术优势浮现，天赐材料逐渐登顶电解液龙头。 以多氟多、天际股份 等为代表的国内六氟磷酸锂厂商的量产工艺为晶体六氟工艺，产成品需要同其他添 加剂、溶剂一起混合搅拌制成电解液。天赐材料与日本中央硝子合作生产的液体六 氟磷酸锂将溶剂混合前置，独特的工艺显著降低了生产成本。2014年天赐材料使用 非公开发行募集1.96亿元收购凯欣电池100%股权，2015年5月正式并表，成功完成 电解液生产一体化布局，将液态六氟磷酸锂的优势进一步放大，同时切入ATL及​宁​ ​德​时代产业链，2017年问鼎全球和国内第一大电解液厂商，并逐渐扩大龙头优势。

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4. 2021年以后：竞逐添加剂蓝海

景气交替，添加剂长景气周期开启 。2020下半年以来六氟磷酸锂率先出现紧缺， 2020年底以来行业迎来新一轮扩产潮，2022年下半年起随着新产能的逐渐投放，长 期来看六氟磷酸锂回归合理利润水平。而核心添加剂如LiFSI、VC、FEC拥有更长的 扩产周期，景气周期启动更晚、延续更久，有望在2022年开始引领电解液行业的第 四轮产业红利期。

二、六氟磷酸锂：液态技术保障成本优势和扩产弹性

六氟磷酸锂是目前最为常用的电解质 。电解质的作用是稳定传导锂离子。六氟 磷酸锂具有良好的离子迁移​数​和解离常数、较高的电导率和电化学稳定性，以及较 好的抗氧化性能和铝箔钝化能力，能与各种正负极材料匹配，是目前商业化应用最 广泛的锂电池溶质。 六氟磷酸锂是电解液的主要成本构成，行业壁垒高。电解液原材料成本占比超 90%，其中六氟磷酸锂成本约占原材料成本的50%。六氟磷酸锂常见生产工艺是由 五氯化磷和无水氟化氢反应生产五氟化磷气体，再将其与溶解在无水氟化氢中的氟 化锂反应而成。因其产能投资大、投产周期长、技术难度大，六氟磷酸锂行业壁垒 较高。

液态六氟磷酸锂技术发挥成本和保供优势。 国内主流六氟磷酸锂的制作工艺是 氟化氢法，使用该方法的厂商包括多氟多、九九久（延安必康子公司）、新泰材料 （天际股份子公司）、森田化学等，氟化氢法存在溶剂容易与反应物五氟化磷（PF5） 发生反应聚合、分解，难以获得高纯六氟磷酸锂以及腐蚀性强等缺点。天赐材料、 永太科技新产线使用硫酸法，可将硫酸循环利用，其中天赐材料的液态技术一步到 位省去纯化步骤，进一步降低生产成本。此外，氟化氢法使用的五氯化磷自2021年 初以来持续涨价，系供需缺口拉动所致，而有机溶剂法使用五氟化磷，其应用的原 料多聚磷酸供给充足，彰显更强的成本和保供优势。

合成六氟磷酸锂的差别主要在于反应环境的控制（温度、压强、PH值等，最终 影响反应效率）、杂质的分离（影响纯度）、溶剂体系（液体和固体锂盐的主要差 别）。晶体六氟磷酸锂在工序数量、原材料成本上都高于液体六氟磷酸锂工艺，副 产物氯化氢吸收后生成工业盐酸可以循环利用，液体六氟磷酸锂采用的硫酸循环则 从原料易得性和后处理上具备更强的优势。

氟化氢是六氟磷酸锂重要原材料，电子级氢氟酸产能供应偏紧。 根据纯度及应 用领域的不同，氢氟酸分为工业级氢氟酸和电子级氢氟酸两种。工业级氢氟酸的生 产过程中含氟渣料污染、有害于环境，行业准入门槛高且生产要求严格，近年来落 后的工业级氢氟酸产能陆续淘汰出清；电子级氢氟酸则主要应用于集成电路（IC） 和超大规模集成电路（VLSI）芯片中作为蚀刻剂和清洗剂用，近年来电子级氢氟酸 行业发展受国家政策允许与鼓励，逆势而上、不断加码产能。目前，65%的工业级 氢氟酸用于下游氟烷烃、47%的电子级氢氟酸用于集成电路。

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电子级氢氟酸进入快速扩产阶段 。全球高纯度氢氟酸的生产技术和供给主要被 Stella、大金、森田化学等日企所掌握，由于行业壁垒高，技术工艺难以突破，我国 电子级氢氟酸行业起步较晚。近年来，国内氟化氢行业发展也逐步将重心转向电子 级氢氟酸上，2020年国内电子级氢氟酸产能约30万吨，占氢氟酸产能总体量的约 13.1%。2021年多氟多、永晶科技、巨化股份等陆续新增电子级氢氟酸产线，电子 级氢氟酸进入快速扩产阶段。

萤石资源较为分散，长期来看供给存在压力。 国内萤石企业龙头为金石资源、 浙江武义神龙、中化蓝天集团和内蒙古永和氟化工，多为民营企业。2020年国内萤 石总产量约为430万吨，金石资源产量最高，为41万吨，占比9.53%。国内萤石企业 规模普遍较小，行业集中度不高。由于萤石资源的不可再生性，政府近年严格控制 萤石出口与生产，密集出台政策引导行业走向集中化、规模化、规范化经营，推动 行业内企业实现资源的合理开发和充分利用。受《蒙特利尔议定书》基加利修正案 引发的HFCs预期配额争夺等不利因素叠加影响，氟制冷剂企业生产经营遭受冲击， 长期看供给存在压力。

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我国磷矿富集，磷矿中大量的伴生氟有望拓宽氟资源供给。 我国磷矿资源富集， 磷化工配套氟化工可以综合利用磷矿中的伴生氟资源，比如多氟多开发的氟硅酸钠 法制冰晶石联产优质白炭黑生产技术，该技术以氟硅酸为原料生产高分子冰晶石， 可以同时解决氟化工资源瓶颈和磷化工的环保问题，降低磷化工企业的综合成本， 使其得以用更低的磷源成本向下延伸产业链，开发磷酸铁锂材料。磷-氟化工配套建 设的模式已经在多家企业验证，比如贵州瓮福引入瑞士技术，回收氟硅酸加工成无 水氟化氢，云天化拟与多氟多投资3亿设立合资公司，生产无水氢氟酸（中间产品） 联产优质白炭黑、六氟磷酸锂和电子级氢氟酸生产装置及配套设施。

2020年三季度之后电解液供需错配启动涨价周期。 电解液价格走势与其主要原 材料六氟磷酸锂基本相同，受供需影响而波动。由于行业产能的迅速扩张，2017年 起电解液价格快速下降，企业的盈利空间受到挤压。据Wind，电解液平均价格在2020 年三季度触底至3万元/吨左右，2020年随着欧洲新能源车市场迅速崛起以及下半年 中国市场的需求复苏，三季度开始电解液价格触底回升，到2021年5月平均价格已 提升至约6.2万元/吨。

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2021年供给增量有限，仅天赐材料、多氟多等有较大产能投放，六氟磷酸锂紧 平衡状态将延续 。据鑫椤资讯统计，2020年国内六氟磷酸锂名义产能约为5.65万吨/ 年。天赐材料拥有1.2万吨六氟磷酸锂产能，包括0.2万吨的固体六氟磷酸锂和3万吨 液体六氟磷酸锂，产能优势明显，其次为多氟多和新泰新材（天际股份子公司）分 别拥有1万吨、8160吨六氟磷酸锂产能。天赐材料在建项目年产15万吨锂电材料项 目包括6万吨液体六氟磷酸锂，预计2021年年底建成，折算为固体相当于2万吨锂盐，总产能3.2万吨，继续扩大产能领先优势，同时永太科技公告三年内扩产2万吨六氟 磷酸锂，加大产能投入。2020年下半年以来由于下游需求高速增长，同时受疫情、 上游原材料瓶颈等因素影响，六氟磷酸锂扩产提速较为困难，扩产周期一般为1.5-2 年，2021年下半年随着天赐材料2万吨、多氟多5000吨、永太科技6000吨等新增折 固产能陆续投放后，2022年供需仍将维持高景气度。

三、添加剂：决定长期电解液竞争格局

添加剂决定了电解液的基本理化性能，有助于改善其性能指标。 电解液添加剂 是指改善电解液的电化学性能和提高阴极沉积质量而加入电解液中的添加物。电解 液添加剂种类众多，在电解液中质量占比小、单位价值高，在不提高生产成本和改 变生产工艺的情况下就能够定向优化电解液的导电率、阻燃性能、过充电保护、倍 率特性等性能。随着电池厂对安全性、充放电倍率、循环寿命、高电压特性等性能 要求的提升，电解液所需的配方复杂性以及与之适配的添加剂多样性将逐步提升， 电解液添加剂的重要性尤为突出，其研发和应用日渐成为电解液企业最核心的竞争 力之一。 根据添加剂化学结构，可将添加剂分为环状碳酸酯类添加剂、有机酯酸类添加 剂、磺酸酯类添加剂和新型锂盐类添加剂。常见的电解液添加剂主要有各种新型锂 盐以及传统的VC、FEC等酯类物质，具备成SEI膜、阻燃等作用，添加于电解液中 用于提高其电化学稳定性、热稳定性、能量密度、低温性能、循环性能等指标。

锂电添加剂市场中国占据全球主导地位。 根据EVtank数据，2020年全球锂离子 电池电解液添加剂出货量约18750吨，其中中国电解液添加剂出货量达16140吨，全 球市场份额超80%。从产量来看，全球添加剂生产主要集中在中国，日韩主要是添 加剂的开发，其生产一般都寻求中国企业代工，只生产一些新型的特殊添加剂，从 全球范围来看，日本三菱、宇部、三井、和光纯药、中央硝子、韩国天宝等有自己 合成和生产添加剂，但是海外企业基本只生产除VC、FEC和PS等常规添加剂之外的 新型添加剂。

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国内电解液添加剂格局较为集中，江苏华盛维持龙头地位 。电解液添加剂行业 集中度较高，2020年全球和国内CR5基本保持在60%左右。江苏华盛作为龙头，2020 年国内市场占有率约为24.27%，拥有比亚迪、天赐材料、国泰华荣、杉杉股份、日 本三菱等优质客户；瀚康化工作为新宙邦的子公司，在VC和FEC产品上均有不错的 出货量，2020年国内市占率14.93%份额，排名第二；苏州华一和青木高新，其国内 市场份额分别为8.05%和5.89%；浙江天硕被天赐材料收购后，产能逐步释放，其产 品主要为自产自销，2020年国内市占率为5.58%，出货量占比不断提升。

产品专利是添加剂行业重要壁垒 。锂电添加剂专利主要涉及功能、应用和物质， 开发难度依次递进。我国相关企业受限于起步晚、发展时间短，所开发的专利主要 围绕在功能和应用层次，比如在配方比例上做调整和改良，而新材料开发方面创新 需要企业付出相当大的代价，包括资金投入和时间成本，因而国内企业大幅落后外 企。国内天赐材料、江苏华盛、苏州华一在添加剂行业有较多专利，建立了相对优 势，如天赐材料曾通过技术许可方式引进了美国Dr.Novis Smith的六氟磷酸锂相关制 造技术，解决了核心原料依赖外购的风险。

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（一）传统添加剂：拥抱高景气周期

VC和FEC是使用较为广泛的电解液添加剂 。碳酸亚乙烯酯（VC）是锂电池电 解液中的核心添加剂，能够在锂电池初次充放电中在负极表面发生电化学反应形成 固体电解质界面膜（SEI膜）。FEC添加剂是为高倍率动力电池电解液定向开发的核 心添加剂。能增强电极材料的稳定性。 国内VC和FEC市场格局较为集中。根据EVtank数据，2020年中国VC出货量 6800吨，其中江苏华盛以31.40%的市场份额排名第一，其次是瀚康化工和青木高新， 市占率分别达到14.10%和11.80%。2020年，江苏华盛FEC出货量占国内FEC总出 货量的48.80%，位居FEC细分市场第一，其次分别是瀚康化工和苏州华一，其市场 份额分别为27.14%和11.43%。随着2021年8月20日永太科技公告内蒙古三期项目进 入试生产阶段，永太科技已形成5000吨VC和3000吨FEC的产能，VC产能位居行业 首位。

VC与FEC生产工艺类似，具有协同生产效应 。VC与FEC皆为环状碳酸酯，在 工业生产中都以碳酸乙烯酯（EC）为主原料进行加工生产。生产VC先将EC氯化为氯代碳酸乙烯酯（CEC），再使用三乙胺脱除CEC中的氯化氢；生产FEC同样先将 EC氯化为CEC，再通过氟化钾等氟化剂将CEC氟化为FEC，同时会伴随少量VC生 成。VC与FEC生产工艺类似，通过合理的产线布置能够获得协同生产效益。

制造费用与原材料费用是电解液添加剂的主要成本构成 。碳酸亚乙烯酯（VC）、 氟代碳酸乙烯酯（FEC）、二草酸硼酸锂（LiBOB）等添加剂的制造工艺复杂且原材料 成本较高，因而制造费用与直接材料成本占比高，根据华盛锂电招股说明书披露，电 解液添加剂的制造费用和材料成本占比分别达到了 47.5%和 39.7%。

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磷酸铁锂需求增长带动VC产量大幅提升 。VC的主要作用是提高电池容量和循 环寿命，由于VC在磷酸铁锂电池中添加比例远高于三元电池，2020年以来磷酸铁锂产销回暖，带动VC产量达到约6800吨，同比增长87.38%。

国内添加剂规划产能加速扩张，VC供不应求态势有望延续。 伴随需求快速扩张， 国内电解液添加剂规划产能不断增长，但VC等添加剂的生产对于安全性和环境保护 的要求较高，因而快速扩产难度大、周期长。2021年以来，由于需求的大幅度增长， 国内VC严重缺货，市场价快速上涨到2021年7月的32万元/吨。以2020年国内VC产 量0.68万吨、国内电解液出货量25万吨（高工锂电口径）计算，VC添加比例约为 2.72%，假设随着磷酸铁锂电池占比的提升，VC添加比例随之提升，假设2021-2022 年VC添加比例约为3%、4%，我们测算21-22年VC需求量预计分别为1.6、3.3万吨， 供给缺口持续扩大。2021年9月1日永太科技公告2.5万吨VC和5000吨FEC项目，规 划产能处于行业领先地位。

（二）新型锂盐：下一个制高点，产业化加速

新型锂盐作为添加剂可改善电池性能，添加比例有望逐渐提升 。目前主流锂盐 六氟磷酸锂在热稳定性、导电性等性能方面有不足，且由于生产工艺特点，六氟磷 酸锂会持续分解产生氢氟酸导致电池性能劣化；此外低温环境下六氟磷酸锂易结晶 致使电导率降低，提高了电池内阻。近年来兴起的新型锂盐主要包括 LiFSI、LiTFSI、 LiBOB等，作为添加剂使用的新型锂盐可以改善电解液中SEI膜性能并提高电解液热稳定性。LiFSI（双氟磺酰基亚胺锂）在稳定性和导电性等方面的优势有望使其成为 适配高比能电池的新型锂盐，目前各电解液厂商的LiFSI添加比例基本在3%-8%左右， 随着电池能量密度要求的提升，未来LiFSI添加浓度有望逐渐提升。

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LiFSI具备热稳定性良好、耐水解等优势，是当前最有产业化前景的新型锂盐， 决定下一代电解液关键优势。 LiFSI兼有六氟磷酸锂及四氟硼酸锂的优点，在热稳定 性、对水分的敏感性、导电性等方面具有明显的优势，但生产难度较大导致生产成 本居高不下，以及容易产生络离子对铝箔有腐蚀性，制约其商业化使用。LiFSI的主 要用途有二：（1）作为添加剂使用：目前主流用途，主要适用于高端乘用车锂离子 电池材料；（2）作为电解质使用：随着生产技术的突破以及成本降低，LiFSI或将 作为主盐使用。

LiFSI合成工艺逐步优化 。LiFSI的合成工艺复杂，一般需要经过原材料合成双 氯磺酰亚胺（HClSI）、氟化得双氟磺酰亚胺（HFSI）、锂化得LiFSI三个步骤。传 统三步法为获得HClSI需要多步反应，中间产物种类多，产物提取要求高，目前使用 较少。优化三步法为目前主流工艺，该法通过改变原材料的选择，优化了第一步合成HClSI的过程，减少了反应步骤与反应产物种类，目前天赐材料、新宙邦、多氟多 等企业均使用优化三步法。两步法通过原材料直接反应生成HFSI或类HFSI，减少了 氟化环节，进一步优化生产工艺。

目前国内LiFSI生产商主要有三类：天赐材料、新宙邦等电解液企业，多氟多、 永太科技、时代思康等氟化工企业以及华盛锂电、康鹏科技等专业添加剂企业，所 用的不同工艺路线在原材料可得性、环保处理上差异较大，进而导致成本和产能弹 性的较大差异。

（1）从原材料可得性看，氨基磺酸全球行业规模约20-30万吨，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；硫酰氟反应效率较高，但供应链配套存在挑战；二氯亚砜主要用于三氯蔗糖生 产使用，行业规模不到百万吨，龙头公司凯盛新材、世龙实业、金禾实业等产能均 不超过10万吨；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，且采用氯磺酰异氰酸酯来直接制备LiFSI的反应条件相对苛刻。

（2）从副产消纳和环保角度看，LiFSI生产过程中主要副产硫化物与氯化物， 优化三步法1工艺中会产生NOx污染。在环保要求下，产线需要加强污染物排放控制， 因为污染物多为HCl、SO2、NOx等酸类物质，目前主流污染物控制方法有多级水吸 收法、多级碱液吸收法与活性炭吸附法等，污染物处理后的经济价值难以完全弥补 环保成本，循环利用是最为经济的方法。通常氯化氢可以循环回收用于氯磺酸生产， 而二氧化硫可用于回收生产硫酸，例如天赐材料六氟磷酸锂生产所用的硫酸循环， 通过循环利用实现价值最大化，实现产能弹性与成本优势。

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LiFSI产业化加速推进，供需趋紧。作为性能更为优异的锂盐，LiFSI在行业内 获得了高度关注。除了公司和日韩老牌企业如触媒、天宝，国内企业如天赐材料、 龙岩思康、研一（江山）、多氟多均有万吨级规划产能，其他如康鹏科技、永太科 技等也有几千吨规划产能，LiFSI产业化加速推进。2020年底天赐材料已经具备2000 吨LiFSI产能，目前规划产能约6万吨，保持产能领先优势。伴随产业化的快速推进， LiFSI的报价从2017年的80万元/吨下降至2021年的40万元/吨，然而受制于供应链配 套不足，开工率低，LiFSI的行业实际产能相比需求较为紧张，2022年开始供需缺 口明显扩大。

四、溶剂：探索低成本工艺创新

有机溶剂作为电解液的主体部分，按其结构不同，主要分为环状碳酸酯类有机 溶剂、链状碳酸酯类有机溶剂、醚类有机溶剂和羧酸类有机溶剂 。环状碳酸酯类溶 剂包括碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），其中 EC 相对于 PC 而言，化学稳 定性更高、相对介电常数更大，循环性能更佳，应用范围相对较广；链状碳酸酯类 溶剂包括碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸甲乙酯（EMC）等，其 中 DMC 溶解能力强，对锂电池电导率提升效果显著，低温充放电性能佳，且制作 成本低廉，是电解液中使用最为频繁的有机溶剂；而醚类有机溶剂介电常数低，黏 度小，能有效提升电解液的电导率，但由于性质活泼、抗氧化性能较差，使用情况 较少。通常情况下，单一的溶剂很难满足锂电池性能需求，需选用两种甚至多种的 溶剂混合使用。

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电解液目前多采用混合溶剂体系。 在溶剂选择方面需要满足高介电常数、低粘 度、低熔点、高沸点、低成本等要求。目前溶剂以碳酸酯类为主，包括链状碳酸酯： 碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）；环状碳酸酯： 碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）等。此外也有羧酸酯类、硫酸酯类、含氟 酯类、含硫酯类等溶剂，但均未得到广泛应用。一些酯类由于添加量较少，被当做 添加剂使用，以改善电解液使用性能。 链状碳酸酯粘度比环状碳酸酯低，电化学稳定性更好，能够提高电解液低温性 能。

链状碳酸酯在溶剂中质量占比大约为60%左右，主要分为碳酸二甲酯（DMC）、 碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC），三者在不同电池种类中配比有较大差 别，通常三元电池中EMC占比较高，而磷酸铁锂电池中DMC占比较高。 环状碳酸酯介电常数高、离子电导率高，能够在负极表面形成稳定的SEI膜，但 其粘度较大。环状碳酸酯在溶剂中质量占比约为30%-40%，主要分为碳酸乙烯酯 （EC）、碳酸丙烯酯（PC），EC的介电常数更高、化学稳定性高、熔点低，低温 性能更佳，是主要应用的环状碳酸酯。

DMC 占据溶剂核心地位。生产链状碳酸酯的生产需要优先生产出 DMC，再由 DMC 合成 DEC 和 EMC，质量单耗比约为 1.1：1。因此在电解液溶剂中 DMC 占 比较高，折纯 DMC 约为 60%-70%。

DMC的制作工艺共有环氧乙烷法、环氧丙烷法、尿素醇解法和甲醇氧化羰基化 法四种。其中酯交换法为当前主流DMC生产工艺，具体又可分为环氧丙烷法和环氧 乙烷法。

（1）环氧丙烷法：大部分企业采用的生产工艺，利华益、中沙石化、浙江石化 等原PC生产企业计划入局DMC等溶剂市场，从工艺中部切入，拓展公司业务。

（2）环氧乙烷法：环氧乙烷价格稳定且相对环氧丙烷较低，是目前酯交换法中 认可度更高的工艺路线。石大胜华、海科思派、奥克股份等已有环氧乙烷产能，同 时获得副产品乙二醇，DMC与1分子或2分子乙醇反应，可以生成EMC或DEC。该种 生产工艺可以获得高纯度溶剂。

（3）尿素醇解法：跳过了PC、EC的生产过程，通过尿素与甲醇的醇解反应， 一步式生成DMC。该工艺的最大优点是反应过程中没有水生成，较大程度简化了 DMC的精馏提纯过程，中科惠安、山东德普等企业采用此工艺。

（4）甲醇氧化羰基化法：此工艺多为煤制乙二醇企业使用，原料为甲醇、氧气、 合成气中的一氧化碳等，而DMC为反应副产物。该工艺主要难点为DMC作为反应副 产物，浓度较低，需要进一步提纯，具体来看，以重庆东能为代表的液相法采用铜 化合物催化剂和淤浆床反应器，以中盐红四方为代表的气相法无需催化剂分离的固 定床反应器。

材料成本是电解液溶剂最主要的成本构成 。对于碳酸二甲酯（DMC），以 2020 年石大胜华生产的碳酸二甲酯系列溶剂为例，原料成本约占总成本的 82%，是电解液 溶剂最大的成本构成。

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甲醇氧化羰基化法具备较强的降本潜力和扩产弹性。 从原材料来看，酯交换法 均受到环氧丙烷或环氧乙烷的限制，其成本波动对DMC成本影响较大，而煤制乙二 醇原料成本低、装置规模较灵活，用甲醇氧化羰基化法生产DMC的装置可由原装置 技改得到，投入较少。从副产物消化角度来看，环氧丙烷法副产物丙二醇的市场规 模较小，而环氧乙烷法副产的乙二醇在国内市场规模接近1800万吨，限制相对较小。 气相甲醇氧化羰基化法副产的草酸行业规模不到百万吨，随着动力电池需求量的快 速增长，草酸亚铁路线的磷酸铁锂正极材料或打开草酸应用空间。

电池级DMC工艺壁垒较高，客户黏性较强 。碳酸二甲酯（DMC）按纯度分为工 业级（99.9%）与电池级（99.999%以上）两类。电池级DMC需由工业级DMC精馏 制得，工艺方面的壁垒主要在于溶剂合成过程引入醇类原料及其副产物，此类活泼 氢杂质容易与六氟磷酸锂反应，而醇类物质在高电压下易分解影响电池性能，除了 杂质控制之外，电池级DMC对水分控制要求也非常严格，通常要求<10ppm。因其工艺方面的高要求，主流电解液厂商为了保证产品质量会采取较长的认证周期，客 户黏性较强。

电池级DMC国内产能寥寥，石大胜华优势突出。 石大胜华以7.5万吨产能坐稳龙 头交椅，计划新增5万吨电池级DMC产能预计2021年四季度投产，产能优势进一步 扩大。目前国内电池级DMC产能主要集中于石大胜华、海科新源、辽宁港隆、营口 恒洋、抚顺东科等少数企业，而具备外供能力的企业则更为稀缺，石大胜华的优势 地位非常突出。

DMC 产能扩张提速 。据百川盈孚数据，2020 年国内 DMC 名义产能约 93.6 万 吨，其中浙江石化与石大胜华产能规模达 20.0/12.5 万吨，市场份额遥遥领先，2021 年随着华鲁恒升 30 万吨、石大胜华 10 万吨和海科新源 7 万吨 DMC 产能投产，名 义产能达 174.6 万吨，市场竞争加剧。

低成本电池级DMC产能落地打开供给空间。 DMC在磷酸铁锂电池中的用量大约 是550吨/GWh，三元电池中的用量约为130吨/GWh，由此我们测算出2021、2025 年电池级DMC需求量分别约为6万吨和38万吨，中长期来看电池级DMC的供给较为 紧张。而随着甲醇氧化羰基化法应用生产的低成本DMC的逐渐投产，供给空间将有 望打开。

五、风险提示

（一）新能源汽车销量不及预期。 相对于传统燃油车，新能源汽车仍然属于新生事物，考虑产品稳定性、使用便 利性等因素，对消费者接受度仍然较低，因而带来新能源汽车销量增长的不确定性。

（二）技术升级进度不及预期。 新能源汽车新车型产品开发需要较长开发周期，新型锂盐等新技术应用进度尚 存不确定性，如果商业化应用延后，当年新能源汽车销量和盈利情况将存在低于预 期可能性。

（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：【未来智库官网】。

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锂离子电池高镍正极材料热稳定性和产气行为

第一作者：Zehao Cui

通讯作者：Arumugam Manthiram

通讯单位：美国德州大学奥斯汀分校

【研究背景】

LiNiO2基的高镍层状氧化物正极被视为最重要的高能量密度锂电池的正极材料之一。迄今为止，大部分研究的关注点都集中在解决其因镍含量逐渐增加而产生的表面和结构不稳定性问题，旨在提高循环稳定性。然而，安全性能较差可能是其进一步商业化的真正难题，但这方面尚未受到应有的关注。针对这一现象，德州大学奥斯汀分校的Arumugam Manthiram教授（通讯作者）以及Zehao Cui博士（第一作者） 在国际顶级杂志《Angew. Chem. Int. Ed. 》发表了题为《Thermal Stability and Outgassing Behaviors of High-nickel Cathodes in Lithium-ion Batteries 》的短综述论文，旨在从化学的角度深入与全面地总结与分析高镍热稳定以及产气行为的机理和影响因素，并在据此阐明研发高安全性能高镍正极材料的挑战与潜在解决对策。

【核心内容】

1. 高镍正极材料以及安全性能重要性

首先，图1表示在商业锂离子电池中（图1a），正极材料占总质量和成本的50%以上（见图1b），这使得它成为限制锂离子电池的能量密度和成本的关键因素。如图1c所示，在众多的正极材料中，高镍正极LiNixM1-xO2（M = Mn，Co，Al等）表现出高能量密度（以及良好的循环寿命。尽管如此，与LiFePO4（LFP）相比，高镍正极的市场份额正在逐渐下降。而造成这种现象的主要原因之一是，与LFP相比，高镍正极在更高镍含量或更高充电态（SOC）时有着更差的安全性能。具体来说，正极的安全性能主要在于两个方面。一是充电态正极的放热热分解反应以及由此导致的电池热失控反应，二是电解液和正极之间的产气反应以及由此导致的电池内部压力升高。正如图1d所示，高镍正极热分解反应的引发温度可以低至约180-190°C，并且可以释放超过1,000 J g-1的热量。此外，与LFP和LiMn2O4（LMO）相比，高镍正极的产气量明显更多。基于安全性能对于高镍正极材料的重要性，此综述旨在通过从化学角度对高镍材料热分解和放气机制进行全面概述，并且据此提供有关未来研究方向和设计更安全正极策略的见解。

图1 . (a) 锂离子电池的结构以及(b)质量和成本占比示意图。(c) 典型正极材料之间的能量密度和循环寿命比较示意图，这其中包括了高镍和低镍极LiNi1-x-yMnxCoyO2（NMC），LiCoO2（LCO），高压尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO），富锂锰基层状氧化物正极（LR-NMC），LiMn2O4尖晶石（LMO），和LiFePO4（LFP）。(d)根据在线电化学质谱法（OEMS）和差示扫描量热法（DSC）测量得出的正极材料产气量和热分解起始温度和热量释放的示意图。

2. 高镍正极材料的热分解机制

首先要说明的是，尽管脱离态的高镍正极在热力学上是不稳定，但是其分解反应的发生需要克服一定的活化能垒，因此其分解是需要电池内部积聚高温（>150°C）诱发的。如图2a所示，电池的热失控是一个多步骤的过程，主要包括热积聚（可控）和热失控（不可控）。一旦温度达到临界点，便会引发正极的热分解以及电解液的燃烧反应。在这个过程中，正极分解的温度对电池的安全性尤为关键。因此，正极热分解机制需要着重讨论。如图2b所示，脱锂态高镍正极在温度升高时会经历从层状的菱面体相（R）向尖晶石相（S）和岩盐相（RS）的相变。在此过程中，过渡金属（TM）离子（主要是 Ni4+/Ni3+和Co4+/Co3+）会被还原并通过相邻的四面体位置从过渡金属层的八面体迁移到锂离子层的八面体位置并伴随着O2的释放。值得注意的是，这种相变行为的特征（相变温度和持续时间）受到脱锂量、镍含量和化学成分的影响。正如图2c的原位加热XRD所示，相比于NMC532（LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2），高镍NMC811（LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2）的R–S–RS相变发生在较早的温度并且完成得更快。原位加热电子能损光谱（EELS）可以观察到过渡金属离子价态随温度的改变。随着过渡金属离子的还原，氧的前边缘峰向更高的能量损失方向移动，同时过渡金属的L3和L2边缘峰的强度比变得更高。如图2d和2e所示，与Mn相比，Co和Ni的L3/L2比值变化不仅开始更早（100°C），而且增加速度更快。这是由于Mn4+的化学稳定性较Ni4+/Ni3+和Co4+/Co3+更好。

图2 . （a）锂离子电池的热失控过程示意图。(b) 带电状态下高镍阴极的热分解反应和结构演变示意图。(c) Li0.29Ni0.5Mn0.3Co0.2O2和Li0.22Ni0.8Mn0.1Co0.1O2的XRD图案随温度的变化。(d) 带电的NMC811（4.3V对Li+/Li）的电子衍射图案和（e）电子能量损失光谱数据与温度的关系。

如图3所示，高镍正极的热稳定性可以通过热重分析（TGA）联用差示扫描量热法（DSC）和质谱仪（MS），以及加速量热法（ARC）来评估。TGA-MS可以记录充电正极的质量损失并检测损失O2的量随温度变化的情况。DSC可以提供正极与电解液混合物放热燃烧反应的温度和热量释放的信息。ARC可以测量充电正极和电解质混合物或整个电池组的自加热速率。如图3a与3b所示，无论控制截止电压或脱锂程度，高镍正极与低镍正极相比，始终表现出更差的热稳定性。图3c中的ARC结果表示Al和Mg可以极大减缓单元素掺杂正极的自加热反应速率，其次是Mn，而Co掺杂没有好处。因此，似乎低镍正极相对于高镍正极更好的稳定性归因于Mn浓度的增加。为了进一步研究这一点，研究者通过固定镍含量并改变Co/Mn比率合成了富Co和Mn的NMC正极进行比较（图3d）。有趣的是，Co似乎比Mn更有益于提高热分解温度并减少O2的生成。这种违反直觉的现象表明掺杂物的相互作用在抑制热分解中也起到了至关重要的作用。然而，这种复杂互作用的原理需要更多的研究去解释。

图3 . (a)高镍正极充电到4.4 V或80%SOC的DSC数据，这其中包括LiNiO2（LNO），LiNi0.9Mn0.05Co0.05O2（NMC90），NMC811，LiNi0.7Mn0.15Co0.15O2（NMC-70），和LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2（NMC-33）。(b) Li0.28Ni0.xMn0.yCo0.zO2（NMCxyz）和Li0.28Ni0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）正极的TGA数据。(c) 充电到230 mA h g-1的LNO和5 mol% Co、Mg、Al和Mn掺杂的LNO正极的ARC数据。(d) Li0.1Ni0.83Co0.11Mn0.06O2和Li0.1Ni0.83Co0.06Mn0.11O2的XRD和O2强度随温度的变化的数据。

从化学角度来看，脱锂态正极的热稳定性主要由三个因素决定（图4）。第一个因素是金属-氧键合能，它直接决定了键断裂以及O2释放所需的能量。键合能与化学键的共价性密切相关：共价性越大，电子越分散，化学键的更容易断裂。Al和Mg掺杂对于推迟O2释放和减少热释放很有效，因为键能遵循Al−O/Mg−O > Ni−O > Co−O的顺序。第二，由于热分解过程中的存在过渡金属从八面体到四面体的迁移的过程，八面体位点稳定化能（OSSE）也是印象因素。还原的Co2+和Ni3+离子比Co3+和Ni4+离子有更小的OSSE，有助于相变。第三，如果Li层中的八面体位点已经被大量占据，离子迁移和相变将会被抑制。所以具有与Li+相似的离子半径的金属离子（例如Mg2+）存在于Li层中时，有助于增强结构稳定性。

图4 . 热分解反应中脱锂高镍正极的离子迁移和O2释放过程示意图以及决定分解温度、O2释放量和反应动力学的几个因素。

3. 高镍正极材料的产气机制——表面余锂分解

表面余锂的分解反应，例如LiOH、LiHCO3和Li2CO3的分解，是高镍产气的原因之一。高镍表面余锂的形成归因于Ni3+空气中的不稳定性。CO2和H2O可以与正极发生反应，促使形成余锂和岩盐NiO层。酸碱滴定法已经证明余锂含量与Ni含量呈指数增长的关系。关于Li2CO3的分解机制是化学反应还是电化学反应一直是一个有争议的话题。最近，研究人员通过同位素标定终于理清了其分解机制（图5）。

图5 . LiFP6和LiFSI/LiTFSI基电解质中高镍材料表面余锂——Li2CO3和LiOH的(a)化学分解途径和（b）电化学分解途径的示意图。

首先，当电解液是基于LiPF6的电解液时，Li2CO3发生化学分解。具体来说，如图5a所示，碳酸酯溶剂的水解和氧化会生成具有活性质子的产物，这些产物与PF6–反应，产生HF和PF5气体。然后，正极表面的Li2CO3可以与HF发生反应，释放CO2和H2O，这会进一步与LiFP6和碳酸酯溶剂反应，如此不断循环。此外，LiOH和碳酸酯溶剂之间的亲电反应也可以释放CO2。因此电极液中的H2O含量会影响产气量。

其次，当电解液是基于LiTFSI/LiFSI的电解液时，Li2CO3会在约4 V（对Li/Li+）附近发生电化学分解。与LiPF6不同，LiTFSI/LiFSI不会在存在活性质子的情况下分解。因此，Li2CO3可以被电化学氧化，不仅会释放CO2气体，还有高反应活性的单线态氧1O2。单线态氧1O2会进一步与电极中的惰性碳添加剂和电解液中的有机溶剂发生反应，生成CO2和CO气体。需要注意的是，与从高脱离态正极本身生成的1O2相比， Li2CO3电化学分解生成的1O2数量要少得多。

4. 高镍正极材料的产气机制——氧气析出与电解液分解

与余锂的产气相比，大部分气体是由电解液的氧化分解反应产生的。气体生成量可以通过原位电化学质谱OEMS和亚基米德原理测量，并且受多种因素影响，包括SOC、镍含量、正极组成、水含量、电解液配方、温度和正极-电解液界面（CEI）的性质。此外，放气机制包括化学和电化学途径，主要取决于正极化学和操作电压。

图6 . 高镍正极表面的三种电解液分解途径示意图，包括（a）化学脱氢，（b）单线态氧的化学氧化，以及（c）电化学氧化。

因为碳酸乙烯酯（EC）比普通线性碳酸酯更容易被氧化，所以图6用碳酸乙烯酯为例展示了电解液产气反应在不同电压和SOC下呈现出三个步骤的特征的机制。首先，在约3.8–4.0 V处，EC上的氢原子与层状氧化物正极上的氧原子结合，导致EC的脱氢反应，过渡金属离子的还原以及乙烯碳酸酯的生成。氧化物正极表面的活性氢氧化物基团可以进一步与PF6–阴离子反应，释放PF5气体。其次，在4.2 V以上（约80% SOC），Ni4+诱导单线态氧1O2和三线态氧3O2气体的生成。1O2会立即亲核攻击EC，形成EC上的酮基团，最终分解为CO2、CO和H2O。H2O也可以通过亲核攻击引发EC的水解，从而释放CO2。此外，含有活性质子的物种，包括酸和乙二醇，可以与LiPF6反应，导致LiF、HF、HPO2F2和POF3气体的形成。后二者在H2O浓度相对较低时可以进一步与醇物种反应，形成磷酸酯。第三，在大于4.7 V的超高电压下，气体的生成主要由电化学氧化反应贡献。EC在氧化物正极表面发生开环反应，将电子转移到碳和集流体上，释放CO和CO2气体以及其他能够迁移到负极并被还原的副产物。此外，在H2O的协助下，电极中的碳添加剂也可以被电化学氧化成CO和CO2。总之，对于具有传统LiPF6/EC基电解液的电池，主要的放气物种包括PF5、POF3（二者来自于LiFP6）、O2、CO2和CO（来自碳酸酯溶剂）。由此机理可以推断出，产气量与正极脱锂量、温度、水含量、电解液氧化稳定性以及电压正相关。

【结论】

基于此综述，尽管我们对安全性机理有一定的认识，但仍有很多需要解决的关键问题：需要全面地定量地表征高镍正极的热稳定性产气量与SOC，掺杂，表面包覆，电解液（包括固态与液态电解液）等参数的具体关系，并且揭示其中内在的原理，用于指导研发具有更高安全性能高镍正极材料的依据。

Zehao Cui and Arumugam Manthiram*, Thermal Stability and Outgassing Behaviors of High‐nickel Cathodes in Lithium‐ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202307243

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