新能源电池及电解液材料行业研究

受益于新能源汽车市场的增长，近年来锂电池出货量保持持续增长态势。根据高工锂电数据，2022 年全国锂电池出货量为658GWh，同比增长101%，预计至2025 年全国锂电池出货量将达到1,805GWh。锂离子电池产量的上升带动上游锂离子电池材料行业的快速增长。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及功能性添加剂作为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。

一、新能源电池行业的基本概况

电池依其运作原理可分为物理电池和化学电池。其中化学电池又可分为一次电池（又称为原电池）和二次电池（又称为蓄电池）。一次电池使用后不能充电，常见一次电池包括锰干电池、碱性干电池、水银电池及不可充电的锂电池等。二次电池是指电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。二次电池利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能。根据材料和制作工艺，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，锂离子电池拥有最优秀的综合性能，包括能量密度、功率密度、日历寿命及安全特性等。现阶段的锂离子电池已经成熟应用于交通工具、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、电解液及其他辅材构成。锂离子电池充电时，电子由充电器外接经过负极的碳材料，同时锂离子离开正极，并经电解液进入负极，而放电则遵循相反路径。通过锂离子在正极和负极之间的移动，锂离子电池可以反复充电及供电。

锂电池已有较长的应用历史。早期锂电池使用金属锂作为负极，但由于充电过程易形成枝晶，安全性难以保障，因此初期的锂电池以一次电池为主。20 世纪90 年代初，日本索尼公司研制的锂电池首次应用于便携式电子产品，开启了全球锂电池的商业化应用的初步探索。21 世纪早期，随着智能手机、MP3、平板电脑等消费电子产品的普及与锂电池生产工艺技术的提升，锂电池出货量快速增长，全球锂电池产业进入了快速发展期。近年来，受新能源汽车、电动轻型车、电动工具、新型储能等领域的需求拉动，全球锂电池的市场空间保持了快速增长的态势。

自1998 年首次引入锂电池相关技术以来，我国锂电池产业已经走过了二十余年的发展历程，在国家产业政策积极引导与国内优秀企业自主创新的共同作用下，形成了较完备的产业链与全球领先的市场规模，涌现了一批具有国际竞争力与领导地位的锂电池头部企业，与起步较早的日韩企业形成了齐头并进的格局。

从包括中国在内的全球锂电池行业下游应用场景看，锂离子电池下游主要可分为动力、消费和储能三大领域。具体而言，动力锂电池指为电动汽车、电动列车、电动两轮车等工具提供电力的锂电池。消费锂电池主要应用于手机、平板电脑、笔记本电脑以及近期兴起的蓝牙耳机、可穿戴设备等消费电子产品。储能锂电池则主要为通信基站、用户侧削峰填谷、离网电站、微电网、轨道交通等的储能需求提供支持。从需求结构而言，我国锂离子电池以动力电池应用为主，消费电池次之，储能锂电池是新兴的重要应用领域之一。

二、新能源电池电解液材料行业的基本概况

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、隔膜及其他辅材构成。锂离子电池电解液为电池内部正负极提供离子导通通道，是赋予锂离子电池高能量密度及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综合性能优化的重要途径。锂离子电池电解液由溶剂和溶质构成，按照在电解液中的使用量区分，溶质可以进一步分为锂盐主盐和添加剂。锂盐主盐是溶质中使用量最大的成分，通常占电解液质量的比例在10%-15%之间，同时也是电解液成本中最主要的构成部分。

经过十余年的发展，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。但随着近年来下游行业对电池综合性能的提升要求日益增长，尤其是对高功率型电动工具及乘用车电池的性能需求的快速提高，现有主要电解液材料暴露出一定的性能缺陷和使用问题。因此，行业内也在不断研发和推出新型锂盐及功能性添加剂材料，一方面体现为新型锂盐的用量占比不断提升，另一方面体现为功能性添加剂的推陈出新。

（一）锂盐主盐

1、锂离子电池电解液锂盐主盐的基本情况

锂盐主盐是锂离子电池电解液中的核心成分之一。锂盐主盐能够作为锂离子迁移的介质，使其在正负极之间往返嵌入和脱嵌，实现能量的存储和释放。锂盐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等性能，目前也是锂离子电池电解液材料成本的主要构成部分。

锂盐主盐的选择需要考虑其相应理化特性、离子电导率、溶解性、热稳定性、化学稳定性、电化学反应特性和体系相容性：①理化特性：锂盐的基本物理化学特征；②离子电导率：高离子电导率是实现高功率的必要条件，因为电解液中的锂离子迁移能力通常是电池阻抗的主要来源之一；③溶解性：高溶解性可以提供足够的载流子来实现快速离子传导，以及防止锂盐的析出；④热稳定性：锂盐需要具有较好的热稳定性，即在高温环境下也能保持稳定，从而配合锂电池的实际使用温度范围；⑤化学稳定性：锂盐与电极直接接触时，需要避免副反应发生，也不能与电池其他成分发生反应；⑥电化学反应特性：锂盐必须有一个相对稳定的电化学窗口，以满足高电位电极材料在充放电电压范围内电解质的电化学稳定性和电极反应的单一性：⑦体系相容性：锂盐与锂离子电池电解液其他成分的相容性。

自锂离子电池商业化产品面世以来，最为常用的主盐为LiPF6，以其稳定的电化学窗口、良好的体系相容性应用于各个电池服务场景，但其存在化学性质不稳定、低温环境下效率受限、同时耐热稳定性较差，特别是对水分极度敏感、释放氢氟酸导致电池失效等显著缺陷，导致下游行业对电池综合性能提出更多要求。

2、LiFSI 的优势及特点

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升、正极材料高镍化发展等趋势，LiPF6 已经较难完全满足锂离子电池对性能的要求。LiFSI 是一种性能优异的新型锂盐，作为电解液主盐应用具有高导电率、高化学稳定性、高热稳定性的优点，更契合未来高能量密度、高功率密度及高安全性的锂电池发展方向，也是目前替代LiPF6 的最佳选择之一。

LiFSI 与LiPF6 的性能指标对比如下：

LiFSI 早期主要应用于三元电池体系，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步普及。《电解液中LiFSI 用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，磷酸铁锂电池的循环表现、低温充电表现、大电流放电表现等均有明显提升；《LiFSI vs. LiPF6 electrolytes in contact with lithiated graphite: Comparing thermal stabilities and identification of specific SEI-reinforcing additives》（《与锂化石墨接触的LiFSI 与LiPF6 电解质：比较热稳定性和特定SEI 增强添加剂》）研究发现LiFSI 用于磷酸铁锂电池后可以提升电池的热稳定性从而提高电池安全性。此外，下游锂离子电池厂商也相继申请了关于将LiFSI 用于磷酸铁锂电池的专利。随着未来LiFSI 商业化的进一步成熟及成本的进一步优化，LiFSI 在磷酸铁锂电池中的应用有望快速增加。

3、LiFSI 的市场空间

前期受限于LiFSI 合成难度较高、成本较高，LiFSI 主要作为锂盐添加剂配合LiPF6 使用，在作为锂盐添加剂使用时，LiFSI 的添加比例介于0.5%-3%之间。近年来随着LiFSI 合成工艺的突破以及生产规模的扩大，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（即直径46mm，高80mm 的电池），4680 电池电解液中LiFSI 的添加比例可以达到15%。目前，各大电池厂纷纷跟进布局以4680 电池为代表的大圆柱电池，预计在未来几年将迎来快速发展期：

公司名称	量产时间	大圆柱电池规划情况
特斯拉	2022年	规划的 4680 电池产能超过 200GW，其中 2022 年已经部分投产，预计 2023 年有望加速投产
宁德时代	2024年	规划产能约 40GW，预计于 2024 年逐步投产
LG新能源	2023年	规划产能约 9GWh，预计于 2023 年逐步投产
松下	2023年	规划产能约 10GWh，预计于 2023 年逐步投产
亿纬锂能	2023年	规划产能约 100GWh，预计于 2023年逐步投产:

根据相关机构数据显示，预计至2025 年全球锂离子电池电解液需求量为260 万吨，相应对电解液锂盐主盐的需求量为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高，若未来LiFSI 市场渗透率达到50%，则2025 年LiFSI 的市场需求将达到17 万吨。同时根据财通证券的测算，仅考虑动力电池领域，2025 年LiFSI 的市场需求量即有望达到16 万吨。综合市场一致性的预测，预计至2025 年LiFSI 的市场需求量将不低于16 万吨。

（二）锂盐添加剂

由于下游行业对锂离子电池性能的要求逐渐提升，单一组分的锂盐已经较难满足需求，因此在锂盐主盐外，还需要使用锂盐添加剂配合锂盐主盐使用从而共同提升锂离子电池的性能。常见的锂盐添加剂包括LiODFB、LiBF4、LiDFOP、LiBOB 等。

以LiFSI 的使用为例，虽然LiFSI 的性能优于LiPF6，但在单独使用时LiFSI 会腐蚀正极中的铝箔。研究发现，使用LiODFB、LiBF4 等锂盐添加剂后，可以有效降低LiFSI 对铝箔的腐蚀。此外，在相同的电池体系下，使用相同剂量的不同添加剂，保护效果亦存在区别。现有研究表明，相同条件下铝电极在充放电首次循环产生的电流强度（电流强度数值越大，腐蚀越为严重）顺序为：LiFSI>LiFSI+LiBOB>LiFSI+LiBF4>LiFSI+LiODFB，因此LiODFB 是目前最为理想的抑制LiFSI 对铝箔腐蚀的锂盐添加剂之一，随着未来LiFSI 用量的增加，LiODFB 的市场需求也将随之上升。

此外，使用锂盐添加剂还可以提升锂离子电池的能量密度、倍率性能、日历寿命及安全特性，目前下游电解液厂商、电池厂商等陆续就相关电解液配方申请专利。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：201910777649.7），在电解液中添加LiODFB、LiDFP 等一种或数种添加剂后，添加剂会在电池充放电过程中发挥如下作用：（1）在充电过程中，添加剂会还原分解，部分还原分解产物会沉积在负极界面上，参与SEI 成膜，抑制副反应的进一步发生，改善循环性能；（2）在负极上形成的界面膜具有较少的阻抗，进一步提高二次电池的倍率性能。

锂盐添加剂的添加比例及具体使用类别受具体的电解液配方影响而有所不同，目前锂盐添加剂的使用比例大致介于0.5%-3%之间。未来随着锂离子电池性能要求的不断提高以及下游行业的不断增长，锂盐添加剂的市场空间也有望随之增加。

（三）功能性添加剂

1、功能性添加剂的基本情况

功能性添加剂通常为有机小分子化合物，化合物类型通常包括常规链状/环状酯类（如VC）、氟代链状/环状酯类（如FEC）、腈类、硅烷类、醚类等。功能性添加剂在不同的锂电池电解液配方中能够根据需求提升锂离子电池在能力、循环、倍率和安全方面的综合性能。

锂离子电池在初始循环时，电解液会同时与电池正极和负极反应生成具有保护作用的钝化层（SEI 膜），SEI 膜允许锂离子自由进出并阻碍溶剂分子进出，抑制溶剂分子对电极的破坏，从而提高电池的日历寿命，同时SEI 膜会阻止电解液与电极持续反应，从而抑制电解液的分解。SEI 膜的厚度、致密性、导电性等都会对锂离子电池的综合性能产生较大的影响，如更薄、导电性更好的SEI 膜有利于提升锂离子电池的功率密度和低温下的性能，而更厚的SEI 膜则能够提升电池的日历寿命以及高温下的性能。目前主要的功能性添加剂正是针对不同的需求修饰并稳定SEI 膜，从而达到改善锂离子电池性能的目的。

此外，功能性添加剂还可以在提升锂离子电池的电压、低温下的性能表现、阻燃、防过充等方面发挥作用，具体如下：

注1：上图所示为部分功能性添加剂类型

锂离子电池电解液添加剂功能众多，同一类功能下有多种性能、成本、制备难度不同的添加剂，单种添加剂往往亦具有一种或数种功能。

2、主要的锂离子电池电解液功能性添加剂介绍

目前最为常用的功能性添加剂包括碳酸亚乙烯酯（VC）、氟代碳酸乙烯酯（FEC），其工作原理为通过电化学还原的方式，在石墨电极表面形成一层有机膜，从而促进形成性能更优的SEI 膜，同时还可以抑制SEI 膜形成过程中气体的产生，并且由于添加剂部分分子迁移至SEI 膜内，SEI 膜的稳定性也能够得到提升。但是，由于VC、FEC 在发生还原型聚合反应的同时，也会在正极发生氧化性聚合反应，从而增加电解液的阻抗以及正极的不可逆性，因此VC 和FEC 的添加量需要控制在合理范围内。同时，研究发现在高温或高电压的环境下，VC 和FEC 的效率将会受到限制，影响锂离子电池的性能，因此也需要新的功能性添加剂用于锂离子电池电解液配方中。

腈类化合物，其分子结构中含有氰基，由于氰基中碳氮叁键的键能较高，不易被氧化，因此腈类在正极上具有很好的稳定性，耐氧化性强，也可减少电极对电解液的分解作用。腈类化合物如R005 最初作为己二腈的副产物出现，并被作为工业废料处理。随着研究的深入，发现其作为添加剂具有较好的效果，目前开始在市场中被逐步推广。研究表明R005 作为功能性添加剂，其结构中的氰基与正极表面金属离子形成强的相互作用，形成稳定、均一的SEI 膜，同时阻止氢氟酸对正极材料的腐蚀及正极材料中金属离子的溶解，能够提高锂离子电池正极材料在高电压下的电化学性能。

硅烷类化合物用作功能性添加剂也是目前行业关注的方向之一。硅烷类化合物的Si-O 结构易被优先还原从而参与SEI 膜的形成，同时硅烷类化合物在热稳定性、环境友好性等方面也有着较为明显的优势。以R006 为例，研究表明R006 可以同时参与正极和负极表面成膜，电解液中加入R006 可以有效抑制电解液在高电位下的分解产气和正极金属离子的溶出与沉积行为，抑制循环中的阻抗增长，从而提高锂离子电池在高温高压下的稳定性，提升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，以及行业内企业在技术及功能化能力的不断提升，功能性添加剂有望持续快速发展。

（四）有机溶剂

有机溶剂是电解液中的介质，其性能与电解液性能密切相关，直接影响锂离子电池的综合性能。按结构的不同分类，溶剂主要包括环状碳酸酯类溶剂和链状碳酸酯类溶剂。其中，环状碳酸酯类溶剂包括碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），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）。