材料研究学报

锂电材料LiFSI产业研究:锂电中游材料的下一个风 

来源:材料研究学报 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2022-01-12

(报告出品方/作者:中信证券,王喆)

1新一代溶质锂盐LiFSI性能优异,未来可期

LiFSI性能优越,有望成为下一代电解液用溶质锂盐

锂电池是目前商用电池中的主要电池类型,其重要组成部分包括电解质、正极、负极和隔膜。锂电池的充放电过程是由锂离子经电解质在正负极之间往返的嵌入和脱嵌来实现。

目前主流商用电解质为液体电解质(俗称电解液),主要由溶质锂盐、有机溶剂和添加剂构成。电解质从物理形态上可分为固体电解质和液体电解质(俗称电解液),其中电解液基于溶剂种类还可分为水系电解液和有机(溶剂)电解液。目前商业化使用的电解质主要为有机电解液,由溶质(锂盐)、溶剂(有机溶剂)以及添加剂构成。LiFSI作为下一代溶质锂盐是未来趋势。

溶质锂盐的选择很大程度上也决定着锂电池的容量、工作温度、循环性能、功率密度、能量密度及安全性等性能。溶质锂盐不仅在锂电池中负责提供自由穿梭的离子和承担电池内部传输离子的作用,还需与电极材料作用形成固体电解液膜(SEI),所以锂电池的锂盐选择通常考虑:离子电导率、溶解度、稳定性、SEI形成能力、铝钝化能力和抗水解性。

目前电解液溶质锂盐主要采用相对低成本的六氟磷酸锂(LiPF6)。溶质锂盐作为电解液的核心组分,其电解液质量占比仅约13%,但在电解液制造成本占比约62%,因此锂盐的成本会很大程度限制其在电解液中的应用。溶质锂盐主要分为无机锂盐和有机锂盐,无机锂盐相较于有机锂盐制造环节少、提纯难度低,具有价格低、工艺壁垒低的优势,因此综合性能满足当下市场要求的六氟磷酸锂(LiPF6,以下简写为6F),凭借其低成本的优势成为目前主流的溶质锂盐。

双氟磺酰亚胺(LiFSI)性能优异,符合未来电池电解液发展趋势。从材料特性来看,LiFSI与LiPF6相比,拥有更好的导电性、更高的电化学和热稳定性以及抗水解性,可以在高温环境下保持良好的电池性能。LiFSI在电池中还可以形成更薄、更均匀的SEI,可以有效减小枝晶对电池结构的破坏从而提升稳定性。虽然LiFSI对铝制集流板有腐蚀作用,但目前可以通过加入少量添加剂如LiODFB使铝提前钝化来克服。

LiFSI与LiPF6混合使用也能一定程度较单独使用LiPF6提升电池性能。LiFSI以及衍生物NaFSI还十分适合用于未来电池体系如锂硫电池(Li-S)、金属锂电池(LMB)、钠离子电池(SIB)以及硅负极锂电池,符合未来电池电解液的发展趋势。因此我们判断LiFSI在电解液中的地位有望从目前的添加剂(占比0.5%以下)逐步过渡到单独使用的锂盐(占比1%~15%),实现电解液溶质锂盐环节的技术更迭。(报告来源:未来智库)

LiFSI经济性逐渐显现,2025年市场空间有望超300亿元

6F价格大幅上涨,LiFSI制造工艺进步优化成本,新型锂盐经济性逐渐显现。随着我国电动智能车和储能设备的高速发展,锂电池的市场需求快速增长致使LiPF6供需平衡偏紧,价格步入上升通道,LiPF6已由2021年年初的10.7万/吨上涨至52.5万/吨,增长390.6%。LiFSI由于工艺成熟度有限、产物收率低导致价格偏高,限制了其在市场中的应用,但随着持续的技术突破和工艺优化,叠加产品规模化带来的边际效应,近年来LiFSI的成本及售价逐步下降,2020年市场价格约为40万元/吨,不到2016年价格的一半,LiFSI和LiPF6之间价差逐渐缩小。

预计2025年LiFSI市场空间有望超300亿元。随着新能源产业发展,预计全球锂电池需求将继续增长,电解液需求同时也会进一步增长。根据天赐材料、新宙邦环评信息,每吨电解液对溶质锂盐的需求基本维持在0.126吨,但随着电池能量密度要求的不断提升,电解液中有机溶剂占比会减少,溶质锂盐比例会变相增大。根据中信证券研究部新能源车组对全球锂电装机量的预测,我们测算2025年全球溶质锂盐的总需求约为25.83万吨。我们认为LiFSI作为锂盐将替代部分LiPF6,2025年市场渗透率有望达到50%。基于50%渗透率,我们预测2025年其全球市场需求将达到12.91万吨,按照25~30万/吨价格计算,市场空间约为323-387亿元。

2LiFSI合成工艺多样化,原料单耗持续优化推动降本

LiFSI合成工艺多样化,基于氯化亚砜的氯磺酸法有望成主流工艺

LiFSI产业进入快速发展阶段。1995年,MichelArmand博士首次提出将LiFSI作为新型锂电池溶质锂盐,但由于该工艺中原料氟磺酸价格昂贵,且对生产设备的腐蚀非常厉害,阻碍了其商业化进程。2012年,日本触媒宣布已确立了溶质锂盐用LiFSI的工业制造方法,次年,全球首个产业化级别的LiFSI生产线由日本触媒实现。中国企业对LiFSI的产业化合成的研究始于2015年前后,并在2017年逐步落实产能,目前全球各大企业已开始陆续投资布局规模化的LiFSI产能。

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