摘要:常规添加剂是指 VC、FEC 等在锂电池行业发展初期出现的应用于 3C 领域的添加剂产品。之后随着新能源汽车、储能等行业的快速发展,动力和储能电池需求提升,常规添加剂在动力和储能电池中逐步应用并起量,以提高循环寿命、充放电效率等锂电池性能。
电解液新型添加剂M001指锂电池电解液新型添加剂,一种有机化合物,分子式为C2H4O6S2。
电解液新型添加剂 P002指锂电池电解液新型添加剂,一种有机化合物,分子式为C3H4O3S。
电解液新型添加剂 D003指锂电池电解液新型添加剂,一种有机化合物,分子式为C2H4O4S。
1、电解液新型添加剂行业基本情况
根据电解液添加剂产品的发展历程,可将添加剂分为常规添加剂和新型添加剂。
(1)常规添加剂情况
常规添加剂是指 VC、FEC 等在锂电池行业发展初期出现的应用于 3C 领域的添加剂产品。之后随着新能源汽车、储能等行业的快速发展,动力和储能电池需求提升,常规添加剂在动力和储能电池中逐步应用并起量,以提高循环寿命、充放电效率等锂电池性能。
近年来,随着锂电池行业的快速发展,锂电池向高电压、高比能、宽温区、高功率、长循环、高安全性等方向发展成为行业共识,常规添加剂 VC、FEC、PS 的作用效果已经难以满足锂电池的性能需求。
(2)新型添加剂情况
新型添加剂是指常规添加剂之外,以 MMDS、DTD、LiODFB、LiPO2F2 等为代表的,在锂电池行业发展进程中出现的,主要应用于动力电池领域的,通过少量添加来提升锂电池的高电压、低温循环、倍率性能等水平的添加剂产品。
根据 EVTank 数据,2020-2022 年,全国锂电池电解液添加剂出货总量中,新型添加剂出货量占比由 12.7%上升到 14.5%。预计 2023 年至 2025 年新型添加剂出货量占比分别为约 18%、22%、25%。
随着锂电池产业和新能源汽车等下游行业规模的不断扩大,锂电池对安全性、能量密度、高低温性能、高电压、长循环等性能要求持续提升,对电解液添加剂提出了更多的要求,成膜、导电、阻燃、过充保护、改善低温性能方面的添加剂的需求量将会逐步增加。
新型功能性添加剂功能多样,契合电池终端应用中的各项需求,附加值相对较高,需求不断扩大,产销量持续上升。根据 EVTank 数据,2022 年我国电解液新型添加剂出货量为 0.7 万吨,同比增长 75.0%,预计 2025年全球电解液新型添加剂出货量达 4.9 万吨,其中我国出货量 3.3 万吨。
综上,随着电池对高能量密度、高安全性能、长循环寿命、高倍率性能和宽温度范围使用等方面的要求不断提高,电解液新型添加剂市场受到越来越多的关注。中国已成为电解液新型添加剂的主要生产、使用和出口国家,我国电解液新型添加剂发展前景十分广阔。
2、电解液新型添加剂行业技术水平及特点
(1)新型添加剂成为提升锂电池性能的核心原材料
随着锂电池产业和新能源汽车等下游行业的不断发展,电池技术快速发展,高电压、高比能、宽温区、高功率、长循环、高安全性是目前研究的重点方向。添加剂是改善锂电池电解液的稳定性及增强电池电化学性能的功能性物质,理想的添加剂具有以下特征:用量少,但能显著改善电池的某些性能;提高某一性能的同时不会导致其他性能的下降,不与电池的其他材料发生副反应;与溶剂有较好的相容性;性价比高、安全、无毒或低毒。
新型添加剂(高电压、安全性、高低温、硅基负极等)可以缓解电池正负极被破坏的问题,显著改善锂电池的性能。新型添加剂作为最经济、有效提升电池性能的材料,其在锂电池开发和应用中已成为提升锂电池性能的核心原材料,重要性日益显著,出货量有望进一步提升,预计到 2030 年新型添加剂的出货量比例将达到全部添加剂产品的 46%。
(2)新型添加剂技术含量高,工艺难度大
新型添加剂产品的核心指标如纯度(99.5%以上)、水分(小于 200ppm)、杂质控制(醇类物质等)、离子含量(小于 10ppm)、酸度(小于 100ppm)等均有较高的要求,导致其研发、生产技术含量较高,合成工艺难度较大。在行业发展早期,新型添加剂供应商主要由日韩供应商垄断,目前国内能够批量生产高品质新型添加剂的企业仍然不多。
(3)新型添加剂品种不断丰富,适应更加丰富的电池体系
在新能源汽车、数码 3C、储能等下游应用场景普及的带动下,锂电池性能技术瓶颈持续被突破,新电解液体系持续得到开发与应用。新型添加剂生产企业积极应对终端需求提升的趋势,大力研发、投产新型添加剂,更新添加剂配方以适应锂电池技术体系的更新换代,推动了更多新品种如含氟、含硫、含硅、酸酐类、腈类、胺类及联苯类等新型添加剂被研究、开发并量产应用,新型添加剂品种不断丰富,添加比例逐步提高。
(4)高电压保护、安全性是电解液添加剂的重点
随着锂电池的电压、能量密度逐步提高,高电压新型添加剂成为市场主流需求,主要有含硼类添加剂、有机磷类添加剂、碳酸酯类添加剂、含硫添加剂、离子液体添加剂等。其中含硼类添加剂在循环时相比于溶剂会更易被氧化,从而在正极表面形成一层稳固的保护膜。含硫添加剂会在正极表面形成聚合物膜,避免了电解液在高压下的氧化分解。高比能锂电池增加了安全性的风险,在追求高续航里程的同时,锂电池的安全性也越来越受到关注。
目前安全性新型添加剂主要有防过充添加剂和阻燃添加剂,常用的防过充添加剂为电聚合类和气体发生类,电聚合类包括联苯、呋喃、吡啶及其衍生物;气体发生添加剂包括环己基苯、苯基-烷基-苯基化合物、烷基苯环衍生物等。阻燃添加剂可分为有机磷系化合物、有机卤系化合物、含氮类化合物和氮磷混合化合物等。
3、电解液新型添加剂行业发展态势
未来新型添加剂行业将呈现出以下发展趋势:
(1)国产化替代进程加快
在锂电池的商业化初期,中国生产电解液添加剂的企业较少,主要依赖于日韩供应商,如韩国天宝、日本三菱化学、日本宇部兴产,韩国 Chemtros 等。2000年以来我国锂电池行业迎来快速发展,市场对新型添加剂的需求快速增长,国内电解液添加剂企业数量逐步增多,相关企业对新型添加剂的合成技术、工艺设备进行持续优化与改进,中国电池厂商电解液配套产品已基本实现国产化,突破了高端新型电解液添加剂长期依赖进口的局面,并开始积极进入海外市场。
近年来,随着海外电解液新型添加剂需求的快速增长,中国厂商参与国际电池供应链的机会逐步提升,出现向日韩、欧美、东南亚国家出口电解液新型添加剂的趋势。目前在电解液添加剂领域,日本三菱化学、日本宇部兴产、韩国天宝等海外企业目前基本只生产除 VC、FEC 和 PS 等常规添加剂之外的附加值较高的新型添加剂。
根据 EVTank 数据,2022 年全球电解液新型添加剂出货量约为1.6 万吨,中国电解液新型添加剂出货量约 0.7 万吨,占比为 46%,日韩企业的市场份额为 54%左右;预计 2023 年至 2025 年国内企业占全球新型添加剂市场份额分别为 50.8%、57.1%、67.4%,国内企业新型添加剂市场份额呈上升趋势。
(2)行业集中度进一步提升
在电解液新型添加剂市场发展早期,由于电解液新型添加剂种类较多,单个品种在锂电池中的添加比例较小,相关企业新型添加剂单个产品的产能普遍较小,市场集中度相对不高。近年来随着我国锂电池产业链龙头企业产能扩张迅速,锂电池产业链的行业集中度不断提升,下游电解液添加剂订单规模也随之提高。加之电解液添加剂行业经多年技术积累后,新进入门槛已相对较高,根据 EVTank 数据,2022 年国内电解液新型添加剂前五名企业市占率约为 53.5%。
未来新型添加剂行业中,只有掌握核心技术、生产规模较大、质量管控严格、原材料供应稳定的电解液新型添加剂企业,才能获得下游头部厂商的批量采购订单,通过与下游客户进行战略绑定获得市场竞争力,行业集中度将进一步提升。
(3)硅基负极电解液新型添加剂是重要的行业方向
在新能源汽车高压快充趋势的背景之下,具有超高理论能量密度的硅材料被认为是缓解电动汽车行业里程焦虑的新一代负极材料。然而硅在脱/嵌锂过程中会反复收缩膨胀(体积变化率约为 300%),致使负极材料粉化、脱落,进而失去电接触,造成负极材料的失活。
同时循环过程中不断的体积变化会对其表面固体电解质界面层造成持续不断的破坏,因此难以形成稳定的固体电解质中间相(SEI)膜,这导致大量活性锂和电解液的消耗,最终导致容量快速衰减。硅基负极电解液新型添加剂的研究是电池研究和应用中的重要方向之一。
目前除了含氟、含硼类电解液新型添加剂,其他例如含硅烷、酰胺、异氰酸酯等官能团的新型添加剂也用于硅基负极体系中,提高了该体系的化学和电化学性能。
(4)固态电池、半固态电池、钠离子电池等新型电池的发展
全球锂电池技术持续迭代,固态锂电池、半固态锂电池、钠离子电池等新型电池技术路线可能对现有的液态锂离子电池产生冲击。在固态锂电池、半固态锂电池技术路线下,固态电解质、半固态电解质可能会逐渐替代传统的有机液态电解液,导致对锂电池电解液添加剂技术路线变革。
在钠离子电池技术路线下,目前不饱和碳酸酯、含氟碳酸酯、含硫化合物、含磷化合物、无机钠盐等主流新型添加剂在钠电池中均有使用,但由于钠离子电池负极常用的硬碳材料相较锂离子电池的石墨负极成膜演变更复杂,形成高度稳定和均匀的 SEI 膜更困难,未来针对抑制钠离子电池电极-电解液的界面副反应发生、拓宽电化学窗口、构筑稳定均匀的保护层,是筛选合适的钠电池添加剂的重点方向。
4、中国锂电池电解液新型添加剂行业竞争格局
目前国内已经实现批量供货的锂电池电解液新型添加剂企业包括圣泰材料、苏州祺添、浙江天硕、瀚康新材、如鲲新材等。
上述企业在维持现有市场份额分布的基础上,根据各自的技术、工艺等比较优势,均有较明确的新增产能规划,未来中国锂电池电解液新型添加剂行业仍将呈较激烈的竞争态势。
5、行业内的主要企业
(1)韩国天宝
韩国天宝株式会社成立于 2007 年,韩国上市公司,是韩国电解液添加剂龙头企业,主要从事锂离子电池材料、半导体工艺材料、显示材料及医药中间体业务。韩国天宝被选为 World Class 300 企业,被业内称为“世界上第一个用于二次电池的下一代锂盐 LiFSI 商业化”的企业。
(2)日本三菱化学
日本三菱化学集团成立于 1950 年,由三菱化学株式会社,三菱化学控股株式会社,三菱制药株式会社以及 3 个公司的下属企业组成。日本三菱化学以石油化学、功能产品、卫生保健领域为支柱,是日本排名第 1,世界排名第 5 位的综合型化学企业。
(3)日本宇部兴产
日本宇部兴产株式会社(Ube Industries)成立于 1897 年,宇部兴产的产品包括塑料、电池材料、医药、水泥、建材、机械,其中化学业务是宇部兴产的核心业务。宇部兴产是日经 225 股票指数成分股。宇部兴产与三菱化学在 2016 年合并了中国的电解液业务,合资成立日本 MU 电解液株式会社,在中国设立了常熟宇菱电池材料有限公司。
(4)苏州祺添
苏州祺添新材料股份有限公司成立于 1992 年,主要从事锂离子电池材料、功能有机硅材料的研究开发、生产、销售。锂电池材料主要产品有乙烯基碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯、碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、三(三甲基硅基)硼酸酯、三(三甲基硅基)磷酸酯、亚硫酸乙烯酯等。
(5)浙江天硕
浙江天硕氟硅新材料科技有限公司成立于 2015 年,是一家专注从事锂电池电解液添加剂的企业,2019 年由天赐材料收购成为其控股子公司。浙江天硕主要生产碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、二氟双草酸磷酸锂、二氟磷酸锂等电解液添加剂产品,产品主要供应天赐材料。
(6)瀚康新材
江苏瀚康新材料有限公司成立于 2014 年,为新宙邦控股子公司,主要从事锂离子电池电解液添加剂研发、生产、销售,主营产品包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、硫酸乙烯酯等。瀚康新材主要客户有三菱化学、Enchem、Panaxetec、Soulbrain、杉杉股份、国泰华荣、比亚迪等。(7)如鲲新材上海如鲲新材料股份有限公司成立于 2016 年,主要从事新能源电池电解液材料、电子化学品研发、生产和销售。如鲲新材主要客户包括瑞泰新材、天赐材料、新宙邦、浙江中蓝、宁德时代、MUIS、Enchem 等国内外知名的锂电池及电解液生产厂商。
(8)圣泰材料
公司自 2006 年设立以来,业务发展主要经历了三个阶段:
2006 年至 2015 年为第一阶段,公司完成了主要产品的专利布局,2009 年实现了新型功能性添加剂 P002 的商业化生产,2013 年在国内率先取得新型添加剂M001 的专利授权;
2015 年至 2020 年为第二阶段,公司实现了 M001、D003 等产品性能和规模提升,并于 2019 年建成了多条锂电池电解液新型添加剂生产线;
2020 年至今为第三阶段,公司积极扩产,通过子公司圣泰锂化实施新型锂电池电解质及添加剂技改扩能产业化项目,积极布局新产品。
公司成立了河北省锂电池电解液用功能材料技术创新中心、石家庄市锂电池电解液工程技术研究中心、北京化工大学电解液联合实验室等多个科研平台;公司先后被评为“专精特新‘小巨人’企业”、“河北省‘专精特新’示范企业”、“河北省知识产权优势企业”、河北省“科技小巨人”企业、“河北省工业企业研发机构”、“ 2021 年度省级制造业单项冠军企业”、“河北省科技型中小型企业”、“河北省锂电池电解液用功能材料技术创新中心”,2021 年荣获“河北省科学技术奖二等奖”。公司已取得 46项境内授权专利与 7 项境外专利,其中发明专利 52 项,实用新型专利 1 项。
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来源:思瀚研究院