基础化工行业周专题（4.22—4.28）如何看待COFs在锂电领域的应用前景？

我们在3月15日发布了报告《COFs专题研究：大有可为的有机多孔材料》，就COFs的性能和应用做了简单介绍。COFs的结构可设计性和孔道均一性使其在多个领域具备应用潜力，规划化制备迎来突破，COFs站在了产业化前夕。本篇报告意在阐述我们对COFs在锂电领域发展前景的看法。 COFs作为固态电解质应用尚需时日 相比硫化物和氧化物，COFs的主要痛点在于电导率较低，但其界面阻抗较小，且由于结构可设计性，电导率具备提升空间，材料可发展潜力较大。 用于固态电解质的COFs对结构设计要求较高，若未来在电导率和成本两方面皆有所突破，可能是具备竞争力的一类固态电解质，但或仍需时日。 COFs正极复合材料更易落地，神行电池或是第一站 相比固态电解质，正极复合材料对COFs的性能要求更低，具备率先落地的可能。宁德时代已有COFs作为正极复合材料的相关专利公布，其可解决浆料静置凝胶的问题，同时保持电池的低温功率性能无恶化。我们推测神行电池和神行PLUS电池的性能提升或与此类材料有所关联。 27年COFs在正极领域的市场空间或达50亿 COFs可能是神行电池实现快充突破的关键材料之一，具备大规模商业化可能。我们测算COFs在神行电池中的价值量约为0.5亿元/Gwh，假设27年使用了COFs复合正极的电池出货量占比为10%，则彼时COFs在锂电领域的市场规模将至少达到50亿元。 投资建议：关注具备COFs量产能力的相关标的 COFs作为正极材料或已实现产业化，市场空间可达50亿，而其在负极/隔膜/固态电解质中的应用仍未打开，未来可能是锂电产业不可或缺的关键材料。此外，锂电领域只是冰山一角，COFs在核污染处理、气体存储与吸附、催化和生物医学领域都有广阔的应用，对传统吸附树脂和分子筛具备较强替代能力。结合本篇，我们认为具备COFs量产能力的相关标的值得关注。 风险提示：COFs材料规模化生产遭遇瓶颈，市场拓展不及预期，固态电池产业化进程缓慢，市场空间测算偏差风险。 1.COFs固态电解质尚需时日 相比硫化物和氧化物，聚合物虽然电导率较低，但界面阻抗较小，且由于结构可设计性，电导率具备提升空间，可被视为发展潜力较好的一类固态电解质选择。 COFs作为聚合物的一种，已有多个固态电解质应用的研究被报道，部分电导率已可媲美硫化物。但相关技术更多仍处于实验室阶段，且大概率将面临产业化成本的问题。 因此我们认为，固态电解质对COFs的结构设计要求较高，若其未来在电导率和成本两方面皆有所突破，可能是具备竞争力的一类固态电解质，但或仍需时日。 1.1聚合物电解质具备发展潜力 固态电池的核心技术就是固态电解质的设计开发技术，是实现固态电池高能量密度、高循环稳定性和高安全性能的关键。理想的电解质材料应具备高离子电导率、宽电化学窗口、对正负极材料均具有良好的化学和机械稳定性等。其中，离子电导率为首要核心指标，而界面阻抗亦是需要解决的棘手问题。 目前，主流的固态电解质可分为氧化物、硫化物和聚合物。氧化物具有较高的离子电导率，综合性能相对优异，且成本较低，是目前国内主流路线；硫化物的离子电导率最高，烧结成陶瓷后的室温离子电导率接近液态电解液，但成本昂贵；聚合物虽然离子电导率较低（10-10 S·cm），但界面阻抗远小于氧化物和硫化物，可极大程度避免锂枝晶的问题。 -6 -5 -1 因此，不同固态电解质性能各有优劣。而我们认为，虽然聚合物存在电导率痛点，但由于其结构可设计性，且可以与锂盐和无机填料形成有机/无机复合固态电解质，电导率具备较大的提升空间，可被视为发展潜力较好的一类固态电解质选择。 图表1：不同种类固态电解质的性能对比 1.2COFs仍面临电导率和成本问题 COFs可被划分为一类聚合物电解质。COFs的密度较低，易于功能化，具备有序的孔道，能够容纳 Li+ ，从而与 Li+ 或成对阴离子形成弱键，通过介电屏蔽效应，实现离子的快速传输，便于离子穿梭，适用于构造各类离子迁移通道，可用于制备高离子导电性能的固态电解质。 近十年来，科研工作者们利用COFs材料的结构可设计性、结构单元多元化、孔结构特性等优点，并结合聚合物链段和不同功能化修饰策略制备得到一系列COFs型固态电解质材料。 图表2：COFs固态电解质的发展历程 根据文献《共价有机框架型固态电解质研究进展》，COFs可设计为聚合物链段-COFs型固态电解质和离子基团-COFs型固态电解质，两者均可提升锂离子传导性能。 根据文献《共价有机框架材料应用于锂硫电池的进展》，通过研究设计，COFs的离子电导率较传统聚合物有了大幅提升，部分在室温下可展现出媲美硫化物的表现。 从目前的研究进展看，COFs确实具备电导率不断优化的潜力，但这对分子结构的设计和孔径均一性的要求极高，相关技术更多仍处于实验室阶段，且大概率将面临产业化成本的问题。 因此我们认为，固态电解质对COFs的结构设计要求较高，若其未来在电导率和成本两方面皆有所突破，可能是具备竞争力的一类固态电解质，但或仍需时日。 图表3：部分COFs固态电解质的电导率情况 2.COFs正极或率先落地 相比固态电解质，正极复合材料对COFs的性能要求更低，具备率先落地的可能。 宁德时代已有COFs作为正极复合材料的相关专利公布，神行电池和神行PLUS电池的性能提升或与此有所关联。 COFs正极复合材料具备大规模商业化可能，假设27年使用了COFs复合正极的电池出货量占比为10%，则彼时COFs在锂电领域的市场规模将至少达到50亿元。 2.1COFs正极复合材料更易落地 根据宁德时代专利《一种纳米磷酸铁锂材料、正极极片及二次电池》，以纳米磷酸铁锂、COFs和单臂碳纳米管为原料，制备一种新的正极复合材料，可解决浆料静置凝胶的问题，同时保持电池的低温功率性能无恶化。 专利中所述，“本发明将纳米磷酸铁锂颗粒固定在共价有机框架的孔道内，限制了纳米磷酸铁锂颗粒静置过程中的团聚”，我们推测，COFs在该正极材料中的“载体属性”更明显，对其结构设计和孔道均一性的要求或低于固态电解质，因此COFs作为正极材料的产业化或更易落地。 图表4：宁德时代专利采用COFs作为复合正极材料 2.2神行电池或是COFs产业化应用第一站 2023年8月，宁德时代发布了神行电池，为全球首个在磷酸铁锂上做到4C超充的电池，实现了充电10分钟、续航400km。 我们推测神行电池运用了前述专利技术，COFs作为正极复合材料中的一员，其多孔结构对纳米磷酸铁锂起到了较好的分散作用，加速了其脱出及嵌入速率，因此提升了充电速度。 2024年4月25日，宁德时代发布了神行PLUS电池，快充能力则提高到了充电10分钟，600公里续航。据宁德时代国内乘用车事业部CTO高焕介绍，神行PLUS在正极采用颗粒级配的技术，“将每一颗纳米颗粒放在适当的位置”。相关描述进一步验证了我们关于神行电池使用了COFs正极复合材料的猜想。 图表5：宁德时代发布神行PLUS电池 2.327年COFs作为正极材料的市场空间或达50亿 根据富临精工在投资者互动平台的回答，1Gwh电池需要磷酸铁锂正极材料约2200-2500吨，我们取2500吨计算；根据宁德时代专利，正极复合材料中COFs的质量添加比例为0.6%-2%，我们谨慎取1%计算；根据张振杰教授2023年发表在《Jacs》期刊上的文献，公斤级熔融聚合法制备COFs的成本约69美元/kg，考虑到COFs作为电池材料应具备一定溢价，我们假设其单价为200万元/吨。 依此计算，COFs在神行电池中的价值量约为0.5亿元/Gwh。 图表6：神行电池中COFs价值量测算 我们假设27年国内动力电池出货量达到1000Gwh，其中神行电池占比约3%（大概率仅中高端车型会使用）。则27年神行电池的放量将带来约15亿元的COFs市场。 若其他厂商跟进相关技术，假设27年使用了COFs复合正极的电池出货量占比为10%，则彼时COFs在锂电领域的市场规模将至少达到50亿元。 图表7：COFs作为正极材料的市场空间测算 3.投资建议：关注具备COFs量产能力的相关标的 COFs作为正极材料或已实现产业化，市场空间可达50亿，而其在负极、隔膜和固态电解质中的应用仍未打开，未来可能是新能源产业不可或缺的关键材料。更为重要的是，锂电领域只是冰山一角，COFs在核污染处理、气体存储与吸附、催化和生物医学领域都有广阔的应用，对传统吸附树脂和分子筛具备较强替代能力。结合本篇，我们认为具备COFs量产能力的相关标的值得关注。 4.风险提示 1）COFs材料规模化生产遭遇瓶颈 虽然已有利用熔融聚合实现千克级生产COFs的方法被报道，但其大规划工业化生产仍具备不确定性，这有可能成为阻碍COFs材料推广的一大阻力。 2）市场拓展不及预期 COFs材料适用于多种领域，但在进行市场推广时，下游企业不仅要考虑材料的性能因素，还包括材料的使用成本，以及对已有材料进行替代带来的连锁风险，多维度的因素有可能导致COFs材料市场拓展缓慢。 3）固态电池产业化进程缓慢 固态电池产业化仍处相对早期，电解质方案尚未明确，COFs材料或不具备竞争优势。 4）市场空间测算偏差风险 报告内市场空间测算依据为公司公告、专利及文献，部分假设带有一定主观性，可能与实际情况有所偏差。