电解液：“躺赢”时代已过

  日期：2024-08-06 作者: 解决方案

  随着“双碳”目标提出和推进，新能源汽车的研发应用成为各国产业高质量发展的战略方向。电解液作为生产锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池单位体积内的包含的能量、循环稳定性、安全性等性能指标有较为直接的影响。近年来，随着全世界内汽车电动化的深度推进及储能市场的快速兴起，锂离子电池产业已步入行业发展的“快车道”，并带动电解液需求迅速增加。当前，我国电解液市场呈现薄利润、强竞争等特征，同时，随着固态电池、钠离子电池等新型电池的产业化应用，传统电解液生产商将面临技术革新带来的成本、产品等挑战。本版文字、图表由 中国石化经济技术研究院 隋谨伊 提供

  当前，在全球新能源革命的浪潮下，新能源汽车作为各国实现碳中和的重要方法，步入快速发展阶段。根据中国汽车工业协会公布的数据，2023年，全球新能源汽车销量达1465.3万辆，其中我们国家新能源汽车销量逾900万辆。同时，在能源转型及“双碳”目标驱动下，全球电化学储能发展进程加快，包括电力系统储能、基站储能和家庭储能在内的众多应用场景对储能电池的需求也逐步增加。

  电解液作为锂离子电池重要的组成部分，其最大的作用是提供锂离子在电池正负极间的传输环境，为锂离子电池获得高电压、长循环寿命、高能量密度提供重要保障。相较正极材料、负极材料等其他组成，电解液在电池材料领域占比较低。一般来说，电解液约占电池材料成本的10%左右。

  从性能上看，电解液需要具备高离子电导率、较宽的电化学窗口、较强的耐热性和化学稳定性等优秀理化性质，以保障锂离子在正负极间的高效传输及电池充放电循环的安全稳定性。电解液主要由溶质锂盐、有机溶剂和添加剂三大部分按一定配比制成。其中，溶质锂盐是电解液生产环节中成本最高的部分，约占电解液整体成本的50%以上；有机溶剂添加量最大，约占电解液成本的30%左右；添加剂约占电解液成本的10%左右；其他则为制造环节产生的成本。据统计，截至2023年，我国电解液出货量在全球占比高达86%，是全球最大的电解液生产基地。

  电解液中的溶质主要选用含锂化合物，用来保证电池在充放电过程中有足够的锂离子迁移。溶质锂盐的性质决定了电解液的电化学性能，是对锂离子电池特性影响较大的成分。电解液中的锂盐需要具备较高的离子迁移率、热/化学稳定性、溶解性、抗氧化/还原性等能力。市场上常见的电解液锂盐最重要的包含六氟磷酸锂、四氟硼酸锂及一些新型锂盐等。电解液溶质可以选取单一或者多种锂盐的混合物，实现对电解液的工作时候的温度、电压窗口、比能量等理化性能的动态调整，从而适配下游应用领域的差异化性能需求。

  目前，考虑溶质锂盐电化学稳定性及电池制造成本等因素的平衡，六氟磷酸锂是最成熟的商用锂盐，拥有非常良好的离子电导率、较高的电化学可靠性、合适的工作时候的温度范围，以及产业化成熟带来的成本优势，但其耐热性较差、存在易水解等问题。因此，一些具有更高热稳定性和电化学性的新型锂盐，如双氟磺酰亚胺锂、双三氟甲磺酰亚胺锂等材料开始应用于部分中高端电解液。然而，这些新型锂盐仍处于商业化初期，其生产的基本工艺相对复杂，良品率处于较低水平，导致其生产所带来的成本较高，目前主要作为电解液的添加剂使用。

  有机溶剂是电解液产品中用量最大的成分，占电解液产品质量的80%以上。有机溶剂大多数都用在溶解锂盐，并为锂离子提供传输的环境；需要具备较高的介电常数、低熔点、高沸点、较好的化学稳定性及低黏度等特征。常见的电解液有机溶剂包括碳酸酯类、醚类及新型氟化溶剂等。目前市场上95%以上商业化使用的溶剂以有机碳酸酯类溶剂为主。根据其分子结构的不同，碳酸酯类溶剂可进一步分为环状碳酸酯（碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等）与链状碳酸酯（碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等）。一般来说，环状碳酸酯溶剂具有较高的介电常数、离子电导率，但黏度较大；链状碳酸酯溶剂黏度小，介电常数也较低。同时，不同电解液的物化性质不同，与正负极材料的相容性也有一定差别。因此，目前商业化的电解液通常用几种碳酸酯溶剂混合体系。其中，使用量最大的溶剂为碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯、碳酸甲乙酯和碳酸二乙酯这四种，其需求总量占电解液有机溶剂需求总量的93%以上。

  电解液生产对水分、杂质含量十分敏感，因此对有机溶剂纯度要求比较高，普遍要求电池级有机溶剂纯度达到99.99%。同时，后续提纯工艺难度较大，我国能够直接进行规模化生产电池级有机溶剂企业屈指可数，市场呈现高集中度竞争格局。

  添加剂少量用于电解液，是提升电解液整体离子电导率、阻燃性能、倍率性能、过充安全性等性能的功能化产品。根据作用机理的不同，电解液添加剂大致上可以分为成膜添加剂、阻燃添加剂、高低温添加剂、过充电保护添加剂等。其中，以成膜添加剂的使用最为常见。

  成膜添加剂可以促使电池循环中电极表明产生致密稳定的固体电解质界面膜，最好能够降低锂离子电池首圈不可逆容量损失，防止电极材料与电解液进一步反应引发的不稳定性，进而提升锂离子电池的倍率及循环稳定性等性能。目前商业化常见的成膜添加剂包括碳酸亚乙烯酯、氟代碳酸乙烯酯、1,3-丙磺酸内酯、碳酸乙烯亚乙烯酯、硫酸乙烯酯等。

  阻燃添加剂能大大的提升电解液的着火点，拓宽锂离子电池工作的温度区间。常见的阻燃添加剂包括磷酸三甲酯、甲基磷酸二甲酯、亚磷酸三苯基酯等。

  过充保护添加剂是一类高氧化还原电位类化合物，为锂离子电池提供过冲保护。常见的过充保护添加剂包括联苯、环己基苯、二茂铁等。

  电解液添加剂在电解液产业链中属于高的附加价值产品。比如碳酸亚乙烯酯由于自聚合性较高，在连续生产中纯度难以达到电池级的要求，市场供应一度十分紧张。2021年，国内碳酸亚乙烯酯市场行情报价从15万元/吨一路暴涨至50万元/吨，后期随着国内新增产量释放，价格逐渐回归理性区间。

  扩能潮叠加下游高库存，我国电解液利润基本触底。近年来，全世界内新能源汽车和储能产业快速兴起，刺激锂离子电池市场迅速扩张。电解液作为锂离子电池关键材料，需求随之出现爆发式增长，价格也跟随原料碳酸锂价格一路“水涨船高”。以磷酸铁锂体系电解液为例，价格从2021年初的4万元/吨一度飙升至2022年初的12万元/吨。

  众多产业链上下游企业纷纷布局，我国电解液市场步入高速扩产阶段。企业加速产能布局一种原因是看好新能源汽车和储能等下游锂电池需求端的强势发展；另一方面是由于电解液在电池材料各环节中介入门槛相比来说较低。从锂离子电池各环节看，电解液环节每亿瓦时电池对应的产能投资所需成本仅需200万元左右，是正极材料投资所需成本的1/50。同时，电解液生产的基本工艺简单、建设周期短，是企业介入锂离子电池业务的有效抓手。

  2022年下半年以来，此轮“高歌猛进”的扩能潮引发的产业链过剩等风险开始显现。一是下游锂离子电池企业过度生产导致库存高位，突如其来的去库存周期叠加疫情消费不振，使电解液需求没有到达预期；二是产业链上下游的激进扩能导致上游以碳酸锂为代表的关键原材料价格会出现“腰斩”。电解液价格由于缺乏成本端及需求端的强势支撑一路暴跌，至今仍未止跌。截至去年底，我国磷酸铁锂体系电解液均价已跌为2万~2.2万元/吨，行业盈利水平逐渐见底。

  寡头效应明显，市场之间的竞争激烈。在行业竞争加剧、电解液产业链渠道利润大幅压缩的背景下，原料自供率高、产品性能突出、客户优势显著的企业在市场之间的竞争中将更具优势。当前我国电解液市场集中度较高，有突出贡献的公司占市场绝大部分份额。

  为应对激烈的市场之间的竞争，降本增效成为头部企业打赢生存之战的关键。一是通过全产业链的延伸补足，降低原料成本。比如比亚迪从下游整车业务逐渐向锂离子电池，乃至上游电解液等关键原材料纵向布局。截至2023年底，比亚迪电解液出货量已排名全国第二。二是与下游客户深度绑定。一般来说，溶质锂盐、添加剂，以及电解液整体的配方是决定电解液性能的核心所在。同时，电池下游应用领域需求差异化导致电解液配方个性化明显，电解液生产企业往往通过定制化产品与下游电池生产商进行深度绑定。头部企业多是与下游生产商签订长期订单。这些长期订单一般具有针对成本波动的调控手段，可以抵御部分原材料价格波动的风险，保证电解液生产企业相关业务的利润。

  性能需求倒逼材料体系升级。在产能投放加快、利润大幅缩减的背景下，电解液行业竞争加剧，未来电解液企业要重点关注制造成本、产品性能、技术创新等因素。尤其近几年，我们国家新能源汽车高端化趋势日益明显。当前高压快充性能已慢慢的变成为我国高端电动车标配，比亚迪、蔚来、理想、小鹏等多家新能源汽车企业均推出了800伏高压快充车型，在B级及以上车型渗透率已超10%。这部分高端车型渗透率的提升有助于推动锂离子电池继续朝着高电压、高镍化发展。相应地，高性能的电池体系对电解液的安全性、兼容性也提出了更高的要求。传统的电解液在高电压场景下的耐热性不佳，因此高镍化的锂离子电池对热失控风险明显高于普通三元电池。未来，随着高镍三元、硅碳负极等新型电池体系加速产业化，亟待开发高耐压、阻燃、高热稳定性的电解液，以匹配一直在升级的电池，继而实现动力电池整体电化学性能的提升。

  目前，电解液生产商常用的策略是通过添加热稳定性高的新型锂盐、抗氧化性强溶剂、具有阻燃和促进成膜等功能性添加剂或调整电解液配方（溶质锂盐、有机溶剂、添加剂的配比）等方法，使电解液具有更高的电导率、高低温稳定性及更宽的工作时候的温度窗口，以适应具有更高单位体积内的包含的能量的锂离子电池。

  新型电池冲击传统电解液市场。从电池发展历史来看，电池体系的升级主要受政策、市场需求等影响不断迭代。比如负极从传统的石墨负极升级为具有更高比容量的硅碳负极，正极也逐渐朝着高镍方向发展。当前，为突破传统电池单位体积内的包含的能量的极限、降低电池使用成本、提升电池体系使用安全性，以固态电池、钠离子电池为代表的一系列新型电池应运而生。

  固态电池不是简单地将传统电解液固态化，而是采用新型固态电解质，包括聚氧化乙烯等聚合物电解质、石榴石型等氧化物电解质及硫化物电解质。相比传统电解液，这类固态电解质性质稳定、耐高温、耐高压，具有更高的安全性。因此，可搭配具有更高比容量的正负极材料，实现更高单位体积内的包含的能量。目前，固态电池仍处于商业化起步阶段，其电导率低、界面接触不良、制造成本高等问题亟待解决。另外，钠离子电池原料金属资源丰富、成本低，很好地解决了锂离子电池资源不足的问题。

  未来，钠离子电池在大型储能、小动力等领域对安全性、成本比较敏感的场景更具替代性优势。钠离子电池中电解液所用溶质为钠盐，溶剂一般为碳酸酯类或醚类溶剂。

  这些新型电池随着性能、成本等指标的提升，在动力、储能领域的应用占比预计将逐步提升，对于传统电解液市场将形成冲击。