电解液关键原材料有待优化 产品定制将成为突破口

      摘要：电解液作为锂电池的“血液”，具有重要的作用，是锂电池正常运行必不可少的一部分。随着电池性能的提高，电解液也面临着技术的升级和产品的进阶，其重点研发方向就在于对电解液原材料的优化，同时高端动力电池市场的不断扩大，电解液的定制能力也将成为未来行业发展的主要竞争力。

      电解液主要由机溶液、锂盐溶质和添加剂按照一定比例配制而成。溶质是电解液性能的关键材料，目前商业化电解液使用的溶质主要为六氟磷酸锂；有机溶剂可选择范围较广，主要采用碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）等；添加剂则主要根据电池用途选择性添加，主要有阻燃添加剂、稳定添加剂、除酸除水添加剂等。未来随着技术进步和研发的深入，电解液在原材料方面也将会拥有更多的选择。
      电解液工艺较为简单 核心竞争是配方和定制
      电解液的加工工艺并不复杂，主要是对生产过程中的精细化控制，其生产工艺主要包括六氟磷酸锂的制备、溶剂的提纯、原材料的混合、灌装及后处理。

图1 电解液制备工艺流程

（资料来源：中信证券研究部）

      由于电解液的加工工艺并不存在太大壁垒，或者说主要壁垒已被逐渐攻破，目前产品的主要竞争就存在于原材料的配方和不同锂电池电解液的定制。由于锂电池所应用场景的不同，其所使用的电解液成分配比也不尽相同。不同的电解液配方也对应着不同的使用效果，有耐低温型电解液、高能量密度型电解液、高容量型电解液及稳定型电解液等，不同生产厂家都拥有着多种电解液的配方，以满足不同的市场需求。同时随着三元电池等高端电池的崛起，电解液定制也成为新的发展方向。针对高端电池一般是电池厂家先设计正负极的用料及配比，再根据其性能制作相应的电解液配方，来实现电池最佳的性能。
      目前国内外各大电解液厂商都在积极布局电解液定制业务，并与下游电池厂家达成直接供应给关系，抢占市场份额。我国的电解液生产厂家如天赐材料、新宙邦、杉杉股份、国泰华荣等都与电池厂家建立了电解液定制商业合作关系，且业务占比逐增加。未来随着高端动力电池市场进一步扩大，电解液的定制也将成为新的风口。
      传统锂盐技术较为成熟 新型锂盐性能更为优越
      电解液的溶质是锂离子传导的主体，也是电解液最重要的组成部分，成本占到电解液的50%左右，对电解液的价格有较大影响。溶质主要由各类锂盐组成，一般具有易解离、易溶于有机溶剂且离子传导效应佳等特点。目前市场主要应用的锂盐为六氟磷酸锂（LiPF6），其技术已经相对成熟。六氟磷酸锂的制备工艺方法较多，有气固反应法、氟化氢溶剂法、有机溶剂法和离子交换法等，目前市场主要采取氢氟酸溶剂法，其生产的六氟磷酸锂是晶体状。此外，还有一种液态六氟磷酸锂制备工艺在行业内也有较多应用，液态六氟磷酸锂的反应在电解液溶剂 DEC/DMC 中进行，所得到液体六氟磷酸锂可以直接用于制造电解液，省去了结晶和溶解过程，生产流程更加连贯。
      然而电池性能的不断提升也对电解液提出了更高的要求，传统六氟磷酸锂溶质电解液已不能完全满足市场的需求，电解液厂家也开始寻求性能更加高效的新型锂盐溶质。目前新型溶质替代研究刚刚起步，但已经受到了行业的广泛关注，尤其是新型锂盐双氟磺酰亚胺锂（LiFSI），其与传统六氟磷酸锂（LiPF6）锂盐相比具有更高的稳定性和更佳的电导率，有望成为高比能电池电解液的替代品。
      目前行业对于双氟磺酰亚胺锂的研究还处于初级阶段，主要与六氟磷酸锂混合使用，但其对于锂电池性能的提升已显而易见。在现有的产品中添加了双氟磺酰亚胺锂的电解液，可明显提高离子导电率和充放电特性，实验证明在反复充放电300次后，1.2mol/L六氟磷酸锂的情况下放电容量保持率会下降到60%，而在1.0mol/L六氟磷酸锂中添加0.2mol/L双氟磺酰亚胺锂后，保持率可超过80%，同时能提高高低温下的放电负荷，增加锂电池的应用温度阈值。目前国内外电解液企业都在积极布局盐双氟磺酰亚胺锂的生产线。
      溶剂可选择性较多 对纯度要求更高
      溶剂在电解液中主要起到稳定电压作用，对产品的纯度要求较高。溶剂的纯度与稳定电压之间有密切联系，纯度要求高达 99.99%，水分含量达到 0.0001%以下。达标的有机溶剂氧化电位在5V左右，有机溶剂的氧化电位对于防止电池过充、安全性有很大意义。目前商业化溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、聚碳酸酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙碳酸甲乙酯（EMC）这五种碳酸酯类产品。新型溶剂主要有羧酸脂、亚硫酸脂、氟代溶剂等。
      由于电解液对原材料的纯度要求较高，在溶剂提纯过程中需要进行精馏、结晶、吸附、膜分离、离子交换法、层析、络合及萃取等方法或不同组合。对原材料的提纯工艺进行优化，强化产品的品质，经过多种提纯工艺后杂质含量一般可达到ppm级别甚至到ppb级别，这也为电解液甚至锂电池的质量提供了保障。
      添加剂种类多样 主导电解液的性能
      添加剂对于电解液的性能有着主导作用，添加剂虽然用量小、占比少，但对于锂电池的安全、容量、寿命及附加性能的改善有着明显效果。尤其是在电解液的定制领域，不同的添加剂用于不同类型的锂电池中。由于电池厂家生产的产品用途和性能存在差别，所采用的添加剂侧重点也不尽相同。
      目前市面上的电解液添加剂种类繁多，按照应用类型来看，主要有成膜添加剂、阻燃添加剂、过充添加剂、控水型添加剂、电导率提高添加剂及电解液稳定添加剂。目前商业化锂电池中使用最多的添加剂为碳酸亚乙烯酯（VC），与其他类型添加剂相比具有更好的辅助成膜效应。氟代碳酸乙烯酯（FEC）过去主要应用在小型电池中，目前已经在向高能量密度动力电池领域渗透，同时氟代碳酸乙烯酯（FEC）添加剂与硅碳负极具有良好的贴合性，未来随着硅碳负极在动力电池中的应用增多，其使用量也会大幅增加。
      添加剂制备技术壁垒较高，对产品纯度要求极其苛刻，商业化添加剂纯度要求达到99.999%，前道产品也需要达到99.53%的纯度，微量的杂质成份都可能影响到电解液乃至锂电池的性能，因此厂商的提纯工艺和品质管控能力将决定产品的成本和品质。同时，添加剂属于高危化学品，国家环保限产背景下，生产资质以及高环保设备投入都是行业要面对的问题。未来随着需求端的快速增长，添加剂也将拥有更大的市场，同时各种高性能电池会逐步研发，其应用场景也更加复杂，环保型、高端型添加剂将会成为未来电解液添加剂的发展趋势。
      结语
      电解液虽然在电池中的占比较少，但对电池的倍率、能量密度、循环寿命及安全性方面都有较大影响。电解液性能的突破主要集中在原材料的优化，可以采用性能更好的锂盐溶质及适用范围更广的添加剂。未来随着高能量密度动力电池的广泛使用也对电解液的生产也提出了更高的要求，电解液需要根据不同类型的电池制备与之匹配的产品，高端电解液的定制也将成为行业新的突破口。