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2022年锂电材料行业研究报告

来源:天风证券,孙潇雅

1 行业趋势:长续航、循环次数要求提升,DTD成新趋势

行业痛点:循环次数低、电池衰减,影响使用体验感

目前许多车型三元电池充放电次数约800次,磷酸铁锂电池在2500次左右。以特斯拉Model 3为例,标准版续航里程468km,假 设电池充循环次数800次,电池使用寿命37.4万公里;若采用磷酸铁锂电池,假设循环次数2500次,电池寿命117万公里。

但多数电池无法实现800/2500次循环后仍保持初始状态下的续航里程,原因为电池会衰减,续航里程随循环次数增加而下降。特 斯拉在2020年更新了Model S/X 车型的电池损耗数据,称在行驶20万英里后(32万km),两款车的电池容量仍能保持约90%。

在《上海市2021年6月新能源车型里程可信度分析》中,累计驾驶6-9万公里的A级车车型里程可信度(实际可驾驶的总里程与标称 续航里程的比值)前三分别是荣威Ei5(420km)、荣威Ei5(301km)以及北汽EU5,可信度分别为0.82、0.8、0.78。多数车经 过9万公里里程后,电池包额定容量下降至初始值的80%以下。

特斯拉、宁德等企业并不止步于8年或16万公里,纷纷布局长寿命电池

以目前的质保情况看,特斯拉Model 3 的高压电池与驱动总成质保期为8年或16万公里(以先到者为准),且质保期内保有最低 70%电池容量。国内比亚迪汉、智己、广汽埃安等品牌对电池也分别有终身、8年内24万公里、终身(每年≤3万公里)的质保服务。但车企、电池企业并不止步于此,特斯拉、宁德时代等纷纷布局超长寿命电池。

2020年5月,特斯拉提交一项关于“镍钴铝(NCA)电极合成方法”的专利,该项专利将支持电动汽车电池的使用寿命延长到160 万公里,并且实现4000次充放电循环。2020年6月,宁德时代董事长曾毓群也表示:公司准备生产寿命达16年或行驶里程超200万 公里的超长寿命动力电池,新电池的成本将高出约10%。(报告来源:未来智库)

160万公里续航远超燃油车报废里程,提升全生命周期经济性

在美国,一辆燃油车在使用约20万英里(32万公里)后报废;在欧洲,燃油车使用约15万英里(24万公里)后报废;在中国,根据 商务部发布的《机动车强制报废标准规定》规定:小、微型非营运载客汽车和大型非营运轿车行驶60万公里强制报废。特斯拉车身已为160万公里准备,等待电池寿命提升。2019年,Tesla 的 CEO Elon Musk在推特上宣称 Model 3的驱动和车身是 为100万英里(160万公里)的续航寿命设计的,但当时电池续航寿命为30万英里(48万公里)到50万英里(80万公里),未来替 换能支持100万英里的电池模块需要5000-7000美元。若电动车使用寿命达到160万公里,将远超目前燃油车寿命,提升电动车全生命周期经济性。

2 DTD:改善高低温、循环性能 的新型添加剂

减少高温放置后电池膨胀,改善低温放电、循环性能的新型添加剂

DTD(硫酸乙烯酯)是一种SEI成膜添加剂,平均添加比例约在1%,其作用在于抑制电池初始容量下降、减少高温放置后电池 膨胀、提高电池充放电性能及循环次数等。此外DTD还可用于医药中间体,可用于合成抗高血压药品、新型双表面活性剂的原 料等。

作为电解液添加剂,DTD有主要有以下作用:1)提高电池高温循环、高温储存和低温放电性能;2)减少高温放置后电池膨胀,降低容量衰减及内阻;2)抑制电池初始容量下降,增大初始放电容量;3)提升石墨负极的稳定性,并提升电池循环性能。

3 DTD工艺流程&降本空间

工艺流程:氧化法为目前主流路径,成本、产品指标、废料情况等均存在难点

DTD有多种合成方法,包括酰化法、取代法、加成法、二氧六环合成法、氧化法等。各种反应方法都有优缺点,如酰化法的优点是 原料廉价易得,缺点是反应收得率低,原料硫酰氯或硫酰氟是危化品,腐蚀性强。

氧化法是目前电解液添加剂企业主要的合成方法,起始原料为乙二醇,与二氯亚砜反应生成中间体亚硫酸乙烯酯,再经过氧化形成 DTD。氧化法主要有五条反应路线,其中以次氯酸钠为氧化剂,在三氯化钌水溶液催化下得到硫酸乙烯酯(线路1)为目前较常用的方法。根据浙江天硕2020年6月环评书,我们认为天赐1000吨DTD的制备方法与线路1较为接近。

由于DTD发展时间较短,工艺还未成熟。从成本方面看,线路1使用的贵金属催化剂三氯化钌价格昂贵,难以回收利用;从产品指 标看,产品种钠、氯离子指标易超出标准,影响产品应用效果;从废料情况看,使用过量次氯酸钠强氧化剂三废量大,产生大量含 盐废水,对环境产生较大影响。

降本空间:制造成本与工艺改进是添加剂降本的重要途径

对比溶质6F、添加剂LiFSI,LiFSI成本结构中有更高的制造费用。6F工艺较为成熟,且添加量较大(添加比例约13%),而LiFSI 是一种新型添加剂LiFSI,预计目前平均添加比例2-3%,目前LiFSI有更高的制造费用。天际股份2020年6F成本中直接材料占比 74.8%,制造费用占比20.6%。康鹏科技2019年LiFSI成本结构中制造费用占比46.6%。

DTD是一种新型添加剂,工艺仍未成熟,由于产量较少,预计有较高制造费用。随着头部企业扩产,单个装置生产效率提升,预计 有较强的规模效应。从工艺上看,产品纯度、连续化生产能力、污染物处理能力等都有望不断改进,提高生产效率并降低成本。

通过工艺改进,DTD环境污染、收率等问题也有望改善。2018年10月,苏州华一发布专利《一种硫酸乙烯酯制备方法》,使乙二 醇和硫酸二乙酯在碱性催化剂下反应,生成DTD。此方法能够降低环境污染,更环保,且具有操作简单、安全、收率较理想等优点。(报告来源:未来智库)

降本空间:DTD头部企业向上游原材料布局,降低生产成本

2021年氯化亚砜需求旺盛,随着DTD、LiFSI需求提升,价格或继续提升。氯化亚砜整体行业格局较为集中,中国、印度、欧洲是 核心生产区域,也是主要消费区域。根据QY Research预测,中国、印度、欧洲氯化亚砜市占率分别为55%、24%、18%。目前全国有氯化亚砜产能48万吨,凯盛新材氯化亚砜产能为15万吨/年,是全球最大的氯化亚砜生产基地。其他国内企业有:理文 化工8万吨、世龙实业5万吨、金禾实业4万吨、和合化工5万吨。天赐正在布局部分氯化亚砜产能,可降低生产成本。天赐目前布局LiFSI项目,会同步布局部分氯化亚砜产能。

4 行业空间&竞争格局

DTD2021年均价约在24万/吨,长期看预计价格高于6F

从江苏国泰采购添加剂单价看,2018-2020年DTD采购均价分别为34.8、36、27万/吨,2021H1均价23.8万/吨。2021年上半年, 6F、DTD、LiFSI采购均价分别为13、23.8、34.7万元/吨,DTD价格低于LiFSI但高于6F。随着DTD行业供给增多,平均采购单价下降,但在添加剂中价格仍处于较高水平。由于6F周期性较强,目前价格超50万/吨,但长 期看,预计DTD价格高于6F。

行业空间:预计2022、2025年DTD市场空间20、66亿元,CAGR48%

三元电池能量密度更高,但缺点是热稳定性较差,而DTD可提升电池高温循环、高温储存性能,以及减少高温放置后电池膨胀等, 因此我们认为在三元电池中需要添加更高比例DTD。假设2022年铁锂电池添加比例0.5%、三元电池添加比例1.2%,预计2022年DTD 需求量0.94万吨,平均添加比例0.9%。随着电池 性能要求提升,预计DTD添加比例提升。假设2025年铁锂电池添加比例0.8%,三元电池添加比例2%,预计2025年DTD需求4.2万 吨,22-25年CAGR65%。我们预计2021年DTD价格约24万/吨,假设年降10%,2022、2025年价格分别为21.6、15.7万/吨,DTD需求分别为0.94、4.2万 吨,市场空间分别为20、66亿元,22-25年CAGR48%。

竞争格局:天赐、石大胜华、研一DTD扩产较多,预计2023年天赐DTD产能 达7000吨

2018年以来,DTD市场供给有所增加,逐步实现国产替代。目前扩产DTD的企业有天赐材料、石大胜华、新宙邦、研一、浙江福 纬等。其中天赐、石大胜华、研一扩产幅度较大。

天赐材料:子公司天硕有1000吨DTD产能;2023年南通6000吨DTD预计投产 。

石大胜华:在2019年8月公告的5000吨动力电池添加剂项目、2021年12月公告的1.1万吨添加剂项目中都有扩产DTD。1)5000 吨动力电池添加剂项目中:第一期20吨DTD,第二期400吨DTD;2)1.1万吨添加剂项目:含DTD 2000吨。

研一:DTD已于2021年12月底正式连续化量产,预计2022年6月产线产能完全释放后,产能可达到3000吨/年。

5 DTD VS LiFSI

DTD改善高低温性能、提升循环次数;LiFSI热稳定性好、电导率高,主要用 于高镍电池

LiFSI与DTD都为新型添加剂,且合成路径中都有氯化亚砜,因此我们从作用、添加比例、市场空间、工艺难度等角度对两种添加剂 进行比较。DTD、LiFSI在作用上有一定相似性。例如,两种添加剂都能改善电解液高低温性能、增强充放电效率、提升循环性能。但DTD是一 种成膜添加剂,LiFSI可作为添加剂使用,也可代替一部分6F,在作用上也有不同之处:

DTD:1)改善高低温性能 2)抑制电池初始容量下降。主要用于改善循环次数。

LiFSI:1)热稳定性强,循环性能好 2)电导率高,充放电效率提升。随着镍含量提高,材料热稳定性降低,因此在高压、高镍趋势 下,LiFSI添加量提升明显。

LiFSI远期看可替代部分6F,添加比例更高,预计2025年市场空间253亿元,系 DTD的4倍

从添加量看,LiFSI可用作一部分主盐,添加比例更高。目前LiFSI作为电解液锂盐有两种应用方式:1)可作为添加剂使用;2)作为 新型电解质替代 LiPF6。而DTD是一种成膜添加剂,与VC、FEC类似。我们预计铁锂添加比例不到1%。三元添加比例在3%以下。Li

FSI主要用于三元电池,我们预计2022、2025年在三元的添加比例分别为3.5%、7%,平均添加比例分别为2.1%、3.3%,需求量 分别为2.1、10.1万吨。假设2022、2025年单价分别为34.4、25.1万/吨,对应市场空间分别为73、253亿元,CAGR51%。2025年 LiFSI的行业规模是DTD的4倍。

从工艺难度看:LiFSI反应步骤更多,且合成难度更高

从反应步骤看,LiFSI的合成过程较为复杂,反应步骤更多,收率预计更低。LiFSI 一般要经过双氯磺酰亚胺(HClSI)、双氟磺酰 亚胺(HFSI)、成盐三个步骤。而DTD总体分为2步:1)乙二醇和氯化亚砜为原料合成亚硫酸乙烯酯;2)亚硫酸乙烯酯经过催化 氧化得到DTD。LiFSI反应步骤更多,预计收率更低。(报告来源:未来智库)

从反应过程看,LiFSI纯度要求较高,控制杂质含量为技术难点,DTD主要是三废量大、产品中钠离子等超标影响产品应用效果。LiFSI 反应流程中将会产生水、HCl、HF、K+、Li+等副产物,前两个合成步骤所得中间物的纯度和收率对最终LiFSI性能的影响很 大,控制酸、水、金属离子等杂质的含量是目前的技术难点。DTD的难点主要在于三废量大,产生大量含盐废水,对环境产生较大 影响,且产品中钠、氯等离子指标易超出标准,影响产品应用效果。

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