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新能源电池及电解质材料行业研究报告

受益于新能源汽车市场的增长，锂电池出货量近年来保持持续增长趋势。 高工锂电数据显示，2022年全国锂电池出货量同比增长101%，预计到2025年全国锂电池出货量将达到1000辆。锂离子电池产量的上升带动了锂电池产量的增长。上游锂离子电池材料产业快速增长。 其中，锂离子电池电解液方面，2022年我国电解液出货量为84.4万吨，同比增长68.8%。 锂离子电池电解液锂盐和功能添加剂是锂离子电池电解液的重要组成部分，下游市场需求也保持快速增长。

1、新能源电池行业基本概况

电池按工作原理可分为物理电池和化学电池。 化学电池可分为一次电池（又称一次电池）和二次电池（又称蓄电池）。 原电池使用后无法充电。 常见的一次电池有锰干电池、碱性干电池、汞电池和不可充电锂电池等。 二次电池是指电池放电后可以通过充电激活活性物质并继续使用的电池。 二次电池利用化学反应的可逆性形成新电池。 即化学反应转化为电能后，可以利用电能来修复化学系统，然后再利用化学反应将其转化为电能。 根据材料和制造工艺的不同，常见的二次电池包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。

在二次电池中，锂离子电池具有最好的综合性能，包括能量密度、功率密度、日历寿命和安全特性。 现阶段，锂离子电池已成熟应用于交通运输、电子产品、电动工具、储能设施等领域。

锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液及其他辅助材料组成。 锂离子电池充电时，电子由充电器外接，穿过负极的碳材料。 同时，锂离子离开正极，通过电解液进入负极，放电则遵循相反的路径。 锂离子电池可以通过锂离子在正负极之间的移动来反复充电和供电。

来源：《锂离子电池电解液新型含氟添加剂研究进展》，宋鑫

锂电池有着悠久的应用历史。 早期的锂电池使用金属锂作为负极。 但由于充电过程中容易形成枝晶，安全性难以保证。 因此，早期的锂电池主要是一次电池。 20世纪90年代初，日本索尼公司研发的锂电池首次应用于便携式电子产品，开启了全球锂电池商业化应用的初步探索。 21世纪初，随着智能手机、MP3、平板电脑等消费电子产品的普及和锂电池生产技术的提高，锂电池出货量快速增长，全球锂电池行业进入快速发展期。 近年来，在新能源汽车、电动轻型车、电动工具、新能源存储等领域需求拉动下，全球锂电池市场保持快速增长态势。

自1998年首次引进锂电池相关技术以来，我国锂电池产业已经经历了20多年的发展。 在国家产业政策的积极引导和国内优秀企业自主创新的共同作用下，已经形成了较为完善的产业。 凭借产业链和全球领先的市场规模，涌现出一批具有国际竞争力和领先地位的锂电池龙头企业，形成了与起步较早的日韩企业齐头并进的格局。

从包括中国在内的全球锂电池行业下游应用场景来看，下游锂离子电池主要可分为动力、消费和储能三大领域。 具体来说，动力锂电池是指为电动汽车、电动火车、电动两轮车等工具提供动力的锂电池。 消费类锂电池主要应用于手机、平板电脑、笔记本电脑等消费电子产品以及最近新兴的蓝牙耳机和可穿戴设备。 储能锂电池主要为通信基站、用户侧调峰填谷、离网电站、微电网、轨道交通等储能需求提供支撑。从需求结构来看，我国锂电电池主要应用于动力电池，其次是消费类电池。 储能锂电池是新兴的重要应用领域之一。

2、新能源电池电解质材料行业基本概况

锂离子电池是目前应用最广泛的新能源电池。 锂离子电池由正极、负极、电解液、隔膜及其他辅助材料组成。 锂离子电池电解液为电池内部正负极提供离子传导通道，是赋予锂离子电池高能量密度、高功率密度等核心性能的保证。 同时，调整锂离子电池电解液的配方也是实现锂离子电池全面化的一种途径。 优化性能的重要途径。 锂离子电池电解液由溶剂和溶质组成。 根据电解液中使用量的不同，溶质可进一步分为锂盐主盐和添加剂。 主锂盐是溶质中最常用的成分，通常占电解液质量的10%至15%之间。 它也是电解液成本中最重要的组成部分。

经过十几年的发展，锂离子电池电解液已经出现了相对稳定、成熟的溶剂、锂盐主盐和添加剂材料。 然而，近年来，随着下游行业对电池综合性能提高的要求不断提高，特别是大功率电动工具和乘用车电池的性能要求迅速提高，现有的主要电解质材料暴露出一定的性能缺陷，使用问题。 因此，业界也在不断研发和推出新型锂盐和功能性添加剂材料。 一方面体现在新型锂盐比例的不断增加，另一方面体现在新型功能添加剂的引入。

(1)锂盐主盐

一、锂离子电池电解液中锂盐主盐的基本情况

锂盐主盐是锂离子电池电解液的核心成分之一。 主锂盐可以作为锂离子迁移的介质，使其在正负极之间来回嵌入和脱嵌，实现能量的储存和释放。 锂盐的主盐很大程度上决定了锂离子电池的功率密度、能量密度、日历寿命和安全特性。 目前也是锂离子电池电解质材料成本的主要组成部分。

主要锂盐的选择需要考虑其相应的理化性能、离子电导率、溶解度、热稳定性、化学稳定性、电化学反应特性和系统兼容性：①理化性能：锂盐的基本理化特性； ②离子电导率：高离子电导率是实现高功率的必要条件，因为电解液中锂离子的迁移能力通常是电池阻抗的主要来源之一； ③溶解度：高溶解度可以提供足够的载体，实现离子的快速传导，防止锂盐的沉淀； ④热稳定性：锂盐需要具有良好的热稳定性，即在高温环境下能够保持稳定，从而匹配锂电池的实际工作温度范围； ⑤化学稳定性：锂盐与电极直接接触时，要避免副反应，不能与电池的其他成分发生反应； ⑥电化学反应特性：锂盐必须具有相对稳定的电化学窗口，以满足高电位电极的需要；材料充放电电压范围内电解液的电化学稳定性和电极反应的统一性：⑦系统兼容性：锂盐与锂离子电池电解液其他成分的相容性。

自锂离子电池产品商业化以来，最常用的主盐是LiPF6。 由于其稳定的电化学窗口和良好的系统兼容性，应用于各种电池服务场景。 但其化学性质不稳定，环境温度低。 效率有限、耐热性和稳定性较差，尤其是对水分极度敏感、释放氢氟酸导致电池失效等显着缺陷，导致下游行业对电池综合性能提出了更多要求。

2.LiFSI的优点和特点

随着新能源汽车产业对新能源电池能量密度要求的不断提高以及高镍正极材料的发展，LiPF6已难以完全满足锂离子电池的性能要求。 LiFSI是一种性能优异的新型锂盐。 作为主要电解质盐，具有高电导率、高化学稳定性、高热稳定性等优点。 更适合未来高能量密度、高功率密度、高安全性的锂电池。 发展方向，是目前替代LiPF6的最佳选择之一。

LiFSI与LiPF6的性能指标对比如下：

来源：沉黎明，《锂离子电池中几种有前景的锂盐的研究进展》

早期，LiFSI主要应用于三元电池系统。 随着相关技术的成熟、材料成本的降低以及磷酸铁锂电池性能要求的提高，LiFSI目前在磷酸铁锂电池中的应用已逐渐普及。 《电解液中LiFSI消耗量对磷酸铁锂电池性能的影响》研究了LiFSI用量对磷酸铁锂电池性能的影响。 结果表明，当LiFSI用量达到9%时，循环性能、低温充电性能、大电流放电性能得到了显着提升； 研究“LiFSI vs. LiPF6 in with: and of SEI-”（“LiFSI and LiPF6电解液与锂化石墨接触：比较热稳定性和特定SEI增强添加剂”）发现LiFSI在磷酸铁锂电池中使用时，可以提高电池的热稳定性，从而提高电池的安全性。 此外，下游锂离子电池厂商也申请了磷酸铁锂电池采用LiFSI的专利。 未来随着LiFSI商业化的进一步成熟和成本的进一步优化，LiFSI在磷酸铁锂电池中的应用有望快速增长。

3、LiFSI的市场空间

早期，由于LiFSI合成难度大、成本高，LiFSI主要与LiPF6一起作为锂盐添加剂。 作为锂盐添加剂时，LiFSI的添加比例为0.5%～3%。 近年来，随着LiFSI合成技术的突破和生产规模的扩大，LiFSI在主流电解液配方中的添加比例逐渐增加。 2020年9月，特斯拉公开发布了4680电池（直径为46mm、高度为80mm的电池）。 4680电池电解液中添加LiFSI的比例可以达到15%。 目前各大电池厂商都在跟进以4680电池为代表的大型圆柱电池的布局，预计未来几年将迎来快速发展期：

高工锂电数据显示，预计到2025年全球锂离子电池电解液需求量为260万吨，对应主要电解液锂盐需求量为34万吨。 随着LiFSI商业化的快速推进，未来LiFSI的市场渗透率有望快速提升。 如果未来LiFSI的市场渗透率达到50%，那么2025年LiFSI的市场需求量将达到17万吨。同时，根据财通证券测算，仅考虑动力电池领域，LiFSI的市场需求量将达到17万吨。预计2025年将达到16万吨。根据市场一致预测，预计到2025年LiFSI的市场需求将不少于16万吨。

(2)锂盐添加剂

随着下游行业对锂离子电池性能的要求逐渐提高，单组分锂盐很难满足需求。 因此，除了主锂盐外，还需要锂盐添加剂与主锂盐配合使用，共同提高锂离子电池性能。 常见的锂盐添加剂包括LiBF4、LiBOB等。

以LiFSI的使用为例，虽然LiFSI的性能优于LiPF6，但LiFSI单独使用时会腐蚀正极中的铝箔。 研究发现，使用LiBF4等锂盐添加剂可以有效减少LiFSI对铝箔的腐蚀。 另外，在同一电池体系下，使用相同用量的不同添加剂，其防护效果也不同。 现有研究表明，同等条件下，铝电极在第一次充放电循环时产生的电流强度（电流强度值越大，腐蚀越严重）的顺序为：LiFSI>LiFSI+LiBOB> LiFSI+LiBF4>LiFSI+，因此是目前最常见的抑制LiFSI对铝箔腐蚀的理想锂盐添加剂之一。 未来随着LiFSI用量的增加，市场需求也会增加。

此外，使用锂盐添加剂还可以提高锂离子电池的能量密度、倍率性能、日历寿命和安全特性。 目前，下游电解液生产商和电池生产商已陆续申请相关电解液配方专利。 例如，根据业内电池厂商申请的专利“一种二次电池”（专利申请号：2.7），电解液中添加LiDFP、LiDFP等一种或多种添加剂后，添加剂在使用过程中会起到以下作用：电池充放电过程：（1）充电过程中，添加剂会还原分解，部分还原分解产物沉积在负极界面上，参与SEI膜的形成，抑制进一步的副反应，并提高循环性能； (2)负极上形成的界面膜电阻较小，进一步提高了二次电池的倍率性能。

锂盐添加剂的添加比例和具体使用类别根据具体电解液配方而有所不同。 目前，锂盐添加剂的使用比例大致在0.5%~3%之间。 未来，随着锂离子电池性能要求不断提高以及下游产业不断壮大，锂盐添加剂的市场空间也有望相应增大。

(3)功能性添加剂

1. 功能性添加剂基本信息

功能添加剂通常是有机小分子化合物。 化合物类型通常包括常规链/环酯（如VC）、氟化链/环酯（如FEC）、腈、硅烷、醚等。 不同锂电池电解液配方中的功能添加剂可以根据需要提高锂离子电池在容量、循环、倍率和安全性等方面的综合性能。

在锂离子电池的初始循环过程中，电解液会同时与电池的正负极发生反应，形成保护性钝化层（SEI膜）。 SEI膜允许锂离子自由进出并阻止溶剂分子进出，抑制溶剂分子对电极的影响。 破坏，从而增加电池的日历寿命。 同时，SEI膜会阻止电解液继续与电极发生反应，从而抑制电解液的分解。 SEI膜的厚度、密度、导电率等都会对锂离子电池的整体性能产生较大的影响。 例如，更薄、更导电的SEI膜将有助于提高锂离子电池的功率密度和低温性能。 ，而较厚的SEI膜可以提高电池的日历寿命和高温下的性能。 目前主要的功能添加剂是根据不同的需求对SEI膜进行改性和稳定，从而提高锂离子电池的性能。

此外，功能添加剂还可以起到提高锂离子电池的电压、低温性能、阻燃、防止过充等作用，具体如下：

注1：上图为部分功能性添加剂类型；

注2：数据来源为《锂离子动力电池电解液添加剂研究进展》（苏金然等，《动力技术》）。

锂离子电池电解液添加剂具有多种功能。 对于同一功能，添加剂有多种，但性能、成本、制备难度各不相同。 单一添加剂通常具有一种或多种功能。

2、锂离子电池电解液主要功能添加剂介绍

目前最常用的功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯（VC）和氟代碳酸亚乙酯（FEC）。 其工作原理是通过电化学还原在石墨电极表面形成有机薄膜，从而促进化成性能。 较好的SEI膜还可以抑制SEI膜形成过程中气体的产生，并且由于添加剂的部分分子迁移到SEI膜中，因此也可以提高SEI膜的稳定性。 但由于VC和FEC会在正极发生还原聚合和氧化聚合，从而增加电解液的阻抗和正极的不可逆性，因此VC和FEC的添加量需要控制在合理的范围内。 。 同时研究发现，在高温或高电压环境下，VC和FEC的效率会受到限制，影响锂离子电池的性能。 因此，锂离子电池电解液配方也需要新的功能添加剂。

腈化合物的分子结构中含有氰基。 由于氰基中的碳氮三键具有较高的键能，因此不易被氧化。 因此，腈类在阴极上具有良好的稳定性，并具有较强的抗氧化能力。 它们还可以用来减少电极对电解质的分解作用。 R005 等腈类最初作为己二腈的副产品出现，并作为工业废物进行处理。 随着研究的深入，发现其作为添加剂具有良好的效果，现已在市场上逐步推广。 研究表明，R005作为功能添加剂，其结构中的氰基与正极表面的金属离子形成强烈的相互作用，形成稳定、均匀的SEI膜，同时防止氢氟酸对正极材料的腐蚀，防止正极材料的腐蚀。阴极材料中的金属离子免受腐蚀。 溶解可以改善锂离子电池正极材料在高电压下的电化学性能。

使用硅烷化合物作为功能添加剂也是目前业界关注的领域之一。 硅烷化合物的Si-O结构容易优先被还原并参与SEI膜的形成。 同时，硅烷化合物在热稳定性和环境友好性方面也具有明显的优势。 以R006为例，研究表明R006可以参与正极和负极表面的成膜。 在电解液中添加R006，可以有效抑制电解液在高电位下分解产生气体以及正极金属离子的溶解和沉积，抑制电解液在循环过程中的分解。 阻抗增大，从而提高锂离子电池在高温高压下的稳定性，提高锂离子电池的倍率性能。

未来，随着下游行业应用需求的不断变化和深入发展，以及行业内企业技术和功能能力的不断提升，功能添加剂有望持续快速发展。

(4)有机溶剂

有机溶剂是电解液中的介质，其性能与电解液的性能密切相关，直接影响锂离子电池的整体性能。 根据结构的不同分类，溶剂主要包括环状碳酸酯溶剂和链状碳酸酯溶剂。 其中，环状碳酸酯溶剂包括碳酸亚乙酯(EC)和碳酸亚丙酯(PC)，链状碳酸酯溶剂包括碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)和碳酸甲乙酯。 （电磁兼容）。

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