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    • 鋰電材料行業專題研究:DTD,提升電池循環次數和使用壽命的新貴
    • 發布時間:2022/1/26 14:51:04
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      1 行業趨勢:長續航、循環次數要求提升,DTD成新趨勢

       

       

      行業痛點:循環次數低、電池衰減,影響使用體驗感

       

       

      目前許多車型三元電池充放電次數約800次,磷酸鐵鋰電池在2500次左右。以特斯拉Model 3為例,標準版續航里程468km,假 設電池充循環次數800次,電池使用壽命37.4萬公里;若采用磷酸鐵鋰電池,假設循環次數2500次,電池壽命117萬公里。

       

       

      但多數電池無法實現800/2500次循環后仍保持初始狀態下的續航里程,原因為電池會衰減,續航里程隨循環次數增加而下降。特 斯拉在2020年更新了Model S/X 車型的電池損耗數據,稱在行駛20萬英里后(32萬km),兩款車的電池容量仍能保持約90%。

       

       

      在《上海市2021年6月新能源車型里程可信度分析》中,累計駕駛6-9萬公里的A級車車型里程可信度(實際可駕駛的總里程與標稱 續航里程的比值)前三分別是榮威Ei5(420km)、榮威Ei5(301km)以及北汽EU5,可信度分別為0.82、0.8、0.78。多數車經 過9萬公里里程后,電池包額定容量下降至初始值的80%以下。

       

       

      特斯拉、寧德等企業并不止步于8年或16萬公里,紛紛布局長壽命電池

       

       

      以目前的質保情況看,特斯拉Model 3 的高壓電池與驅動總成質保期為8年或16萬公里(以先到者為準),且質保期內保有最低 70%電池容量。國內比亞迪漢、智己、廣汽埃安等品牌對電池也分別有終身、8年內24萬公里、終身(每年≤3萬公里)的質保服務。 但車企、電池企業并不止步于此,特斯拉、寧德時代等紛紛布局超長壽命電池。

       

       

      2020年5月,特斯拉提交一項關于“鎳鈷鋁(NCA)電極合成方法”的專利,該項專利將支持電動汽車電池的使用壽命延長到160 萬公里,并且實現4000次充放電循環。2020年6月,寧德時代董事長曾毓群也表示:公司準備生產壽命達16年或行駛里程超200萬 公里的超長壽命動力電池,新電池的成本將高出約10%。(報告來源:未來智庫)

       

       

      160萬公里續航遠超燃油車報廢里程,提升全生命周期經濟性

       

       

      在美國,一輛燃油車在使用約20萬英里(32萬公里)后報廢;在歐洲,燃油車使用約15萬英里(24萬公里)后報廢;在中國,根據 商務部發布的《機動車強制報廢標準規定》規定:小、微型非營運載客汽車和大型非營運轎車行駛60萬公里強制報廢。 特斯拉車身已為160萬公里準備,等待電池壽命提升。2019年,Tesla 的 CEO Elon Musk在推特上宣稱 Model 3的驅動和車身是 為100萬英里(160萬公里)的續航壽命設計的,但當時電池續航壽命為30萬英里(48萬公里)到50萬英里(80萬公里),未來替 換能支持100萬英里的電池模塊需要5000-7000美元。 若電動車使用壽命達到160萬公里,將遠超目前燃油車壽命,提升電動車全生命周期經濟性。

       

       

      2 DTD:改善高低溫、循環性能 的新型添加劑

       

       

      減少高溫放置后電池膨脹,改善低溫放電、循環性能的新型添加劑

       

       

      DTD(硫酸乙烯酯)是一種SEI成膜添加劑,平均添加比例約在1%,其作用在于抑制電池初始容量下降、減少高溫放置后電池 膨脹、提高電池充放電性能及循環次數等。此外DTD還可用于醫藥中間體,可用于合成抗高血壓藥品、新型雙表面活性劑的原 料等。

       

       

      作為電解液添加劑,DTD有主要有以下作用: 1)提高電池高溫循環、高溫儲存和低溫放電性能; 2)減少高溫放置后電池膨脹,降低容量衰減及內阻; 2)抑制電池初始容量下降,增大初始放電容量; 3)提升石墨負極的穩定性,并提升電池循環性能。

       

       

      3 DTD工藝流程&降本空間

       

       

      工藝流程:氧化法為目前主流路徑,成本、產品指標、廢料情況等均存在難點

       

       

      DTD有多種合成方法,包括?;?、取代法、加成法、二氧六環合成法、氧化法等。各種反應方法都有優缺點,如?;ǖ膬烖c是 原料廉價易得,缺點是反應收得率低,原料硫酰氯或硫酰氟是?;?,腐蝕性強。

       

       

      氧化法是目前電解液添加劑企業主要的合成方法,起始原料為乙二醇,與二氯亞砜反應生成中間體亞硫酸乙烯酯,再經過氧化形成 DTD。 氧化法主要有五條反應路線,其中以次氯酸鈉為氧化劑,在三氯化釕水溶液催化下得到硫酸乙烯酯(線路1)為目前較常用的方法。 根據浙江天碩2020年6月環評書,我們認為天賜1000噸DTD的制備方法與線路1較為接近。

       

       

      由于DTD發展時間較短,工藝還未成熟。從成本方面看,線路1使用的貴金屬催化劑三氯化釕價格昂貴,難以回收利用;從產品指 標看,產品種鈉、氯離子指標易超出標準,影響產品應用效果;從廢料情況看,使用過量次氯酸鈉強氧化劑三廢量大,產生大量含 鹽廢水,對環境產生較大影響。

       

       

      降本空間:制造成本與工藝改進是添加劑降本的重要途徑

       

       

      對比溶質6F、添加劑LiFSI,LiFSI成本結構中有更高的制造費用。6F工藝較為成熟,且添加量較大(添加比例約13%),而LiFSI 是一種新型添加劑LiFSI,預計目前平均添加比例2-3%,目前LiFSI有更高的制造費用。天際股份2020年6F成本中直接材料占比 74.8%,制造費用占比20.6%??爹i科技2019年LiFSI成本結構中制造費用占比46.6%。

       

       

      DTD是一種新型添加劑,工藝仍未成熟,由于產量較少,預計有較高制造費用。隨著頭部企業擴產,單個裝置生產效率提升,預計 有較強的規模效應。從工藝上看,產品純度、連續化生產能力、污染物處理能力等都有望不斷改進,提高生產效率并降低成本。

       

       

      通過工藝改進,DTD環境污染、收率等問題也有望改善。2018年10月,蘇州華一發布專利《一種硫酸乙烯酯制備方法》,使乙二 醇和硫酸二乙酯在堿性催化劑下反應,生成DTD。此方法能夠降低環境污染,更環保,且具有操作簡單、安全、收率較理想等優點。(報告來源:未來智庫)

       

       

      降本空間:DTD頭部企業向上游原材料布局,降低生產成本

       

       

      2021年氯化亞砜需求旺盛,隨著DTD、LiFSI需求提升,價格或繼續提升。氯化亞砜整體行業格局較為集中,中國、印度、歐洲是 核心生產區域,也是主要消費區域。根據QY Research預測,中國、印度、歐洲氯化亞砜市占率分別為55%、24%、18%。 目前全國有氯化亞砜產能48萬噸,凱盛新材氯化亞砜產能為15萬噸/年,是全球最大的氯化亞砜生產基地。其他國內企業有:理文 化工8萬噸、世龍實業5萬噸、金禾實業4萬噸、和合化工5萬噸。 天賜正在布局部分氯化亞砜產能,可降低生產成本。天賜目前布局LiFSI項目,會同步布局部分氯化亞砜產能。

       

       

      4 行業空間&競爭格局

       

       

      DTD2021年均價約在24萬/噸,長期看預計價格高于6F

       

       

      從江蘇國泰采購添加劑單價看,2018-2020年DTD采購均價分別為34.8、36、27萬/噸,2021H1均價23.8萬/噸。2021年上半年, 6F、DTD、LiFSI采購均價分別為13、23.8、34.7萬元/噸,DTD價格低于LiFSI但高于6F。 隨著DTD行業供給增多,平均采購單價下降,但在添加劑中價格仍處于較高水平。由于6F周期性較強,目前價格超50萬/噸,但長 期看,預計DTD價格高于6F。

       

       

      行業空間:預計2022、2025年DTD市場空間20、66億元,CAGR48%

       

       

      三元電池能量密度更高,但缺點是熱穩定性較差,而DTD可提升電池高溫循環、高溫儲存性能,以及減少高溫放置后電池膨脹等, 因此我們認為在三元電池中需要添加更高比例DTD。 假設2022年鐵鋰電池添加比例0.5%、三元電池添加比例1.2%,預計2022年DTD 需求量0.94萬噸,平均添加比例0.9%。隨著電池 性能要求提升,預計DTD添加比例提升。假設2025年鐵鋰電池添加比例0.8%,三元電池添加比例2%,預計2025年DTD需求4.2萬 噸,22-25年CAGR65%。 我們預計2021年DTD價格約24萬/噸,假設年降10%,2022、2025年價格分別為21.6、15.7萬/噸,DTD需求分別為0.94、4.2萬 噸,市場空間分別為20、66億元,22-25年CAGR48%。

       

       

      競爭格局:天賜、石大勝華、研一DTD擴產較多,預計2023年天賜DTD產能 達7000噸

       

       

      2018年以來,DTD市場供給有所增加,逐步實現國產替代。目前擴產DTD的企業有天賜材料、石大勝華、新宙邦、研一、浙江福 緯等。其中天賜、石大勝華、研一擴產幅度較大。

       

       

      天賜材料:子公司天碩有1000噸DTD產能;2023年南通6000噸DTD預計投產 。

       

       

      石大勝華:在2019年8月公告的5000噸動力電池添加劑項目、2021年12月公告的1.1萬噸添加劑項目中都有擴產DTD。1)5000 噸動力電池添加劑項目中:第一期20噸DTD,第二期400噸DTD;2)1.1萬噸添加劑項目:含DTD 2000噸。

       

       

      研一:DTD已于2021年12月底正式連續化量產,預計2022年6月產線產能完全釋放后,產能可達到3000噸/年。

       

       

      5 DTD VS LiFSI

       

       

      DTD改善高低溫性能、提升循環次數;LiFSI熱穩定性好、電導率高,主要用 于高鎳電池

       

       

      LiFSI與DTD都為新型添加劑,且合成路徑中都有氯化亞砜,因此我們從作用、添加比例、市場空間、工藝難度等角度對兩種添加劑 進行比較。 DTD、LiFSI在作用上有一定相似性。例如,兩種添加劑都能改善電解液高低溫性能、增強充放電效率、提升循環性能。但DTD是一 種成膜添加劑,LiFSI可作為添加劑使用,也可代替一部分6F,在作用上也有不同之處:

       

       

      DTD:1)改善高低溫性能 2)抑制電池初始容量下降。主要用于改善循環次數。

       

       

      LiFSI:1)熱穩定性強,循環性能好 2)電導率高,充放電效率提升。隨著鎳含量提高,材料熱穩定性降低,因此在高壓、高鎳趨勢 下,LiFSI添加量提升明顯。

       

       

      LiFSI遠期看可替代部分6F,添加比例更高,預計2025年市場空間253億元,系 DTD的4倍

       

       

      從添加量看,LiFSI可用作一部分主鹽,添加比例更高。目前LiFSI作為電解液鋰鹽有兩種應用方式:1)可作為添加劑使用;2)作為 新型電解質替代 LiPF6。而DTD是一種成膜添加劑,與VC、FEC類似。我們預計鐵鋰添加比例不到1%。三元添加比例在3%以下。 Li

       

       

      FSI主要用于三元電池,我們預計2022、2025年在三元的添加比例分別為3.5%、7%,平均添加比例分別為2.1%、3.3%,需求量 分別為2.1、10.1萬噸。假設2022、2025年單價分別為34.4、25.1萬/噸,對應市場空間分別為73、253億元,CAGR51%。2025年 LiFSI的行業規模是DTD的4倍。

       

       

      從工藝難度看:LiFSI反應步驟更多,且合成難度更高

       

       

      從反應步驟看,LiFSI的合成過程較為復雜,反應步驟更多,收率預計更低。LiFSI 一般要經過雙氯磺酰亞胺(HClSI)、雙氟磺酰 亞胺(HFSI)、成鹽三個步驟。而DTD總體分為2步:1)乙二醇和氯化亞砜為原料合成亞硫酸乙烯酯;2)亞硫酸乙烯酯經過催化 氧化得到DTD。LiFSI反應步驟更多,預計收率更低。(報告來源:未來智庫)

       

       

      從反應過程看,LiFSI純度要求較高,控制雜質含量為技術難點,DTD主要是三廢量大、產品中鈉離子等超標影響產品應用效果。 LiFSI 反應流程中將會產生水、HCl、HF、K+、Li+等副產物,前兩個合成步驟所得中間物的純度和收率對最終LiFSI性能的影響很 大,控制酸、水、金屬離子等雜質的含量是目前的技術難點。DTD的難點主要在于三廢量大,產生大量含鹽廢水,對環境產生較大 影響,且產品中鈉、氯等離子指標易超出標準,影響產品應用效果。

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