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溶劑:多元碳酸酯類體系為主,迎接固態/凝膠化革新

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年03月02日  

溶劑占比電解液成本約30%,占比質量約80%。由于鋰電池中負極使用高還原性材料,正極使用高氧化性材料,因此溶劑需要極性非質子有機溶劑。此外,溶劑還需要有較高的介電常數、較低的粘度、較高的電化學穩定性、低成本等特性。


碳酸酯類為當下主要電解液溶劑主要產品。鋰電池電解液溶劑主要為醚和酯兩類,其中醚類溶劑雖然粘度低、導電性好,但其電化學穩定性較弱,所占比例極小,目前主要使用的溶劑主要以碳酸酯類為代表,包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸丙烯酯(PC)等。


溶劑需進行多元復配以提升電池性能。由于單一溶劑體系不能滿足電解液的性能要求,因此實際生產中通常將環狀碳酸酯(EC、PC)和鏈狀碳酸酯(DMC、DEC、EMC)按一定比例進行混合形成多元溶劑體系,從而與電池正負極進行更好的相容,提升電池性能。具體來看,不同電解液的使用條件、與電池正負極的相容性、分解電壓也不同。以三元體系EC+DMC+EMC、EC+DMC+DEC等為例,其循環壽命、低溫性能和安全性能方面更具優勢;主流的LiPF6/EC+DMC二元體系與碳負極相容性好、使用溫度范圍廣、安全指數高、循環壽命和放點特性較好。當前主流電解液溶劑為電池級DMC,其由工業級DMC精餾得來,產品純度要求高、工藝難度較大、客戶驗證周期長,導致現階段產能較為緊缺。當前國內電解液溶劑DMC龍頭企業為石大勝華。2020年Q2以來,由于短期內供給緊張,DMC價格一度大幅上漲至近十年新高。當前國內華魯恒升、奧克股份等廠家也通過研發突破布局切入電池級溶劑DMC領域。


4.4、添加劑改善電池性能,差異化配方與產品質量已成核心競爭力


添加劑含量雖少,但是電池性能的重要影響因素。在鋰電池中,電解液的作用除了實現鋰離子的傳輸外,也需要對電池的安全性、循環壽命等性能進行改善,其中加入合適的添加劑是主要的途徑。而添加劑因用量少(質量占比約5%)、成本低(成本占比約10%)又能顯著提高電池的某些宏觀性能,受到企業的較高關注。溶質、溶劑和添加劑的差異化配方與產品質量為企業核心競爭力之一。電解液中溶質和溶劑具有較高的趨同性,而溶質、溶劑和添加劑的三者的差異化配方則成為了電解液廠商核心競爭力之一。另一方面,鋰電池電解液添加劑種類眾多,包括SEI成膜添加劑、導電添加劑、阻燃添加劑、過充保護添加劑等。目前市場上常用添加劑應用較為廣泛,產品制備工藝相對公開,但是電解液添加劑對產品純度的要求較高,因此廠商的提純工藝和品質管控能力亦為核心競爭力。


4.5、固態電解質性能出色優點多,但產業化仍有距離


傳統液態電池性能,理論上固態電解質優勢明顯,是未來突破方向。傳統液態電池由于使用有機碳酸酯類作為溶劑,具有高活性、易燃燒等特性,而在充電過充、過熱和短路時極易發生自燃和爆炸。目前固態電池已經被公認為是發展下一代高安全、高比能量的鋰(離子)電池的關鍵技術。相比于液態電解質,固態電解具有良好的安全性、優異的靈活性和可加工性,還可使電池具有更高的能量密度、更好的安全性能;此外,固態電解質可實現隔膜與電解液一體化,降低成本。從固態電池的發展路線來看,從傳統液態電池到最終全固態電池的發展可以分為五大階段:


(1)傳統液態電池:只含有液體電解質的鋰電池;


(2)凝膠態電池:電芯中液態電解質以凝膠電解質形式存在,實際仍屬于液態電池范疇;


(3)半固態電池:一半是固體電解質,另一半是液體電解質;或者一端電極是全固態,另一端電極中含有液體;


(4)準固態電池:電芯中含有固體電解質和液體電解質,液體電解質比例小于固體電解質;


(5)全固態電池:電芯由固態電極和固態電解質材料構成,在工作溫度范圍內,不含有任何液體電解質。


固態電池體系中,隔膜將被取消,電解質可分三大體系。按照材料的不同,固態電解質可分為聚合物、氧化物、硫化物三種體系,其中氧化物體系和硫化物體系為無機電解質體系。聚合物體系為目前技術較成熟的體系,但仍存在離子電導率較低的問題;氧化物體系和硫化物體系技術難度較高,技術成熟度相對較低。


正負極方面,全固態鋰電池的正極材料與負極材料與傳統液態鋰電池基本相同。正極材料由電極活性物質、固體電解質和導電劑組成,其中活性材料發展與當下正極材料高鎳化、無鈷化等路線基本一致。負極材料的研發突破目前主要集中在金屬鋰負極、碳族負極和氧化物負極三大類,其中金屬鋰負極因其高容量和低電位的優點是最為理想的全固態鋰電池負極材料之一。


固態電池當前仍有較多技術難題,產業化仍需等待。為應對新能源汽車越來越急切的高性能需求,各國都已經開始布局高能量密度鋰電池。在各國政策的引領下,包括企業、高校、科研院所在內的眾多機構都致力于實現固態電池的產業化。以目前的技術進展來看,固態電池仍存在離子電導率低、界面阻抗大、制作成本高等眾多問題,因此我們認為短期內固態電池對于電解液和隔膜等電池材料的沖擊相對有限,產業化仍需等待。


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