碳纳米管行业深度报告动力电池驱动碳纳米管需求迎来爆发

碳纳米管行业深度报告-动力电池驱动碳纳米管需求迎来爆发1、概述：碳纳米管是极具潜力的新型导电剂材料碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）是一种同轴管状结构的碳原子簇（类似于树木年轮环），其管径与管之间相互交错的缝隙都属于纳米数量级，根据管壁的层数可以将CNTs分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。碳纳米管自被发现以来就因为其优异的电学、力学、化学等性能，在多项领域中显示出巨大应用潜力。（1）在锂电池领域，碳纳米管凭借优异导电性能，被广泛应用于锂电池新型导电剂。（2）在导电塑料领域，碳纳米管凭借其优越的导电性能和力学性能，用来提升导电塑料的导电性和结构强度，已经显现出巨大的应用价值在锂电导电剂领域，目前常用的锂电导电剂包括炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯等四种，其中碳纳米管作为新型导电剂材料正处于快速导入期：

（1）炭黑：种类相对较多，在锂电池领域应用最多的是SP（SupperP）,其广泛应用于早期商业化的锂离子电池。（2）科琴黑：也是炭黑的一种，纯度高，导电性好，在日本应用较多，但因为价格高、难分散，在国内应用较少。（3）碳纳米管：凭借良好的导电性及独特的管状结构，通过与正极材料形成线性连接可大幅改善正极材料电导率，目前其正处于产业应用层面快速导入期。（4）石墨烯：于2004年被首次发现，具有较大的比表面积，良好的导电性和导热性，多应用于高科技领域，锂电池领域的应用尚处于研究阶段。1.1、“线接触”结构大幅提升导电性，长径比是重要衡量指标碳纳米管凭借优异的导电性，可应用于锂电池导电剂领域。传统导电剂是炭黑颗粒，而新型导电剂分别是1维或2维的碳管或石墨烯在电池电极中形成有效的线或面导电网络。电池充放电过程中电子到活性材料的颗粒上的传送，用石墨烯及碳纳米管新型导电剂可以直接从线或面内导通而不像传统导电剂通过颗粒的点对点传导，导电效率极高，从而实现快速充放电，并对能量密度、循环使用寿命等关键技术指标都有提升。碳纳米管的长径比、碳纯度是其影响导电性的两个核心指标，直接决定了碳纳米管的产品性能。产品长径比、碳纯度越高对应的导电性越好。1.2、碳纳米管可广泛应用于锂电导电剂、导电塑料以及芯片制造1.2.1、近年碳纳米管材料在锂电领域推广持续推进、国内厂商市占率持续提升锂电池主要材料包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜。导电剂作为一种关键辅材，可以增加活性物质间的导电接触，提升锂电池中电子在电极中的传输速率；

锂电池领域常用的导电剂材料包括炭黑类、导电石墨类、VGCF（气相生长碳纤维）、碳纳米管以及石墨烯等。其中碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂材料。上下游供应链具体制备工艺方面，（1）将PVDF溶于N-甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂后，按照配比加入CNTs纳米导电浆、导电炭黑，搅拌均匀后再加入镍钴酸锂，制成正极浆料；

（2）CMC溶于水形成胶液，按配比加入导电炭黑和负极石墨，搅拌均匀后再加入SBR乳液混合，制成负极浆料；

（3）正负极浆料经涂布、辊压、分切后形成所需极片；（4）正、负极片分别焊接铝、镍极耳，与隔膜一起卷绕后形成裸电芯，经过包装热封、烘烤、注入电解液、预充化成等工艺制程最终锂电池。我国在锂电碳纳米管市场位于全球前列，推动锂电导电剂国产化率持续提升。近年碳纳米管材料在锂电领域推广持续进步、国内厂商市占率持续提升，根据GGII数据，2014-2018年中国锂电池领域导电剂国产化率从12.9%大幅提升至31.2%，国产产品的渗透率持续提升。1.2.2、导电塑料领域：提升功能性塑料的导电性能导电塑料是将树脂和导电物质混合，用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料，导电塑料综合了金属的导电性和塑料的特性，广泛应用于半导体、防静电材料、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域。在填充型导电塑料中，塑料本身并不具备导电性，只充当了结构材料的作用。导电性主要是通过混合在其中的导电物质如碳材料（单质碳、碳纤维、碳纳米管等）、金属粉末、抗静电剂等获得。这些导电性物质称为导电填料，他们在填充型导电塑料中起着提供载流子的作用。1.2.3、芯片制造领域：利用碳纳米管的分立导电性作为替代传统半导体物质为基材的场效应管在新型存储器领域，美国Nantero公司已研发出一种基于碳纳米管的新型非易失性纳米存储器（NRAM）。NRAM主要是利用碳纳米管优异且分立的导电性，用碳纳米管替代传统的半导体物质为基材的场发射晶体管（FET），沉积在标准硅片上。未来芯片制造领域CNT材料应用仍有进一步增长空间。2、碳纳米管导电剂在锂电领域渗透率将显著提升2.1、CNT减少导电剂用量约50%，进一步提升电池带电量导电剂在正极材料中的添加量服从“渗透阈值”理论，当添加量增加到一定值后，导电物质能够在正极材料活性物质中形成有效的导电网络，提升正极材料的导电性能。CNT导电剂凭借独特的形貌结构，在锂电导电剂领域相比传统炭黑、科琴黑等传统材料可大幅减少锂电导电剂的用量约50%（传统锂电导电剂添加量约1-3%，CNT导电剂添加量约为0.5%-1.5%），进一步提升能量体比例，从而提升电池带电量；相较炭黑导电剂采用CNT导电剂可进一步提升带电量约1-2pct。2.2、CNT可进一步提升循环、倍率、低温表现等综合性能导电剂作为锂离子电池的重要组成部分，直接影响电池的内阻、倍率、容量发挥、循环稳定等性能。对于高性能锂电池而言，提高电池的循环次数、倍率性能、高温（低温）稳定性等成为新型锂电导电剂的发展方向。2.2.1、CNT大幅提升电导率改善倍率性能与低温性能相对于传统炭黑导电剂，CNT导电剂进一步构建了线状导电网络，相较于炭黑等传统点状接触导电剂，可进一步改善材料导电性。实验数据显示，通过CNT/CB组合可以进一步提升导电剂的倍率性能以及循环次数。另一方面，得益于CNT所构建的线状导电网络，相比使用传统导电剂，电池在高温（低温）下的性能表现也获得了显著提升。2.2.2、优化材料构型进一步提升电池循环性能循环性能方面，CNT所形成的导电网络不会在电池充放电过程中因为电极材料的膨胀与收缩而破裂，避免了锂电池在充放电过程中因为导电网络破坏而引起的容量下降，因此CNT导电剂可进一步提升锂电池的循环寿命。另一方面，未来随着高容量硅基负极的逐步产业化导入，CNT在负极领域的应用有望进一步获得突破。硅基负极的导电性能比天然石墨和人造石墨等石墨类负极更差，需要添加高性能导电剂来提升其导电性。目前碳纳米管在硅基负极领域体现出良好性能，随着未来硅碳负极的进一步产业化推广，将成为CNT在锂电领域的进一步增长点：1）提高硅基负极的结构稳定性，外力情况下结构不易破坏，进而抑制负极充放电过程中膨胀/收缩对材料的损伤；2）优异的导电性，弥补硅基负极导电性差的不足；3）极大比表面积，可缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。2.3、多组分导电剂成为CNT大规模批量导入的主要载体在实际应用中，多组分混合型导电剂显现出较单一组分导电剂更多的优势，目前CNT+SP、CNT+KB等多组分导电剂成为CNT大批量导入实际生产的主要形式，显现出更优异的性能表现。实际使用中，点状结构的SP比较廉价，与线状的CNTs或面状的石墨烯组合使用，可发挥点、线、面的协同作用，使电池性能更好，实际应用中包括SP+KB、CNT+SP以及CNT+GN等多种多组分导电剂成为重要的实际应用方案。2.4、成本：CNT导电剂价值量占比降至约1%，具备大规模推广潜力传统材料炭黑：按照导电剂度电消耗量约0.03kg/kwh，炭黑价格35元/千克计算，度电炭黑导电剂成本约1.05元/kwh；参考高工锂电数据，NCM动力电池度电成本约940元/kwh，导电剂度电成本占比约为0.11%。碳纳米管导电剂：另一方面，假设碳纳米管导电剂添加量约为炭黑导电剂的三分之一（炭黑添加量约为3%，碳纳米管添加量约为0.5%-1.5%）碳纳米管添加量约为0.01kg/kwh，按照固含量约4%折算，碳纳米管浆料耗量约0.2kg/kwh，参考天奈科技二代碳纳米管浆料价格约47.5元/kg，度电碳纳米管导电剂成本约为9.5元/kwh，碳纳米管导电剂成本占比约1.01%。我们分别以整车带电量60kwh，手机带电量4300mah、折算约0.016kwh单机带电量来计算，汽车和手机的CNT导电剂成本分别约570元/辆、0.15元/台，相对新能源汽车整车及手机的价值量占比较小。另一方面，考虑到随着生产规模提升、生产技术进步带来的CNT生产成本边际下降，碳纳米管价格走低，预计锂电领域CNT导电剂使用量将迎来快速增长。3、需求测算：预计2019-2025年CNT需求CAGR约50%根据需求测算模型，2019年锂电导电剂领域CNT粉体需求约1334吨，按照4%固含量测算对应CNT导电浆料需求量约2.7万吨。预计至2025年锂电导电剂领域CNT粉体需求量约1.5万吨，对应CNT导电浆料需求量约38.2万吨，预计2019-2025年CNT导电剂需求CAGR约50.2%。按照CNT导电浆料价格3-4万元/吨计算，2019年全球CNT锂电导电浆料市场规模约134亿元。3.1、动力锂电：预计2019-2025年全球动力锂电领域CNT需求CAGR约54%根据上述分析，受益于CNT导电剂带来的导电剂用量减少、电池带电量提升，以及性能方面的改善（低温性能、散热性能等提升），碳纳米管导电剂在动力锂电领域得到了快速应用和发展。我们预计2019-2025年全球动力锂电领域CNT导电剂浆料用量将从2.7万吨快速提升至35.4万吨，2019-2025年需求复合增速约54%。按照单吨CNT导电剂浆料3-4万元/吨计算，市场规模将从2019年约9.5亿元快速增长至约124亿元。预计2019-2025年，全球新能源汽车年均复合增长率将达到35%，2025年全球汽车销量达到1363万辆。2019年，国内新能源汽车产量小幅下滑2.8%至124万辆，但海外依旧保持16%的增长至105.6万辆，其中同比增长达到51%至36.7万辆，成为海外新能源汽车销量的引擎，也带动全球新能源汽车依旧同比增长5.1%至230万辆左右。我们认为，即使短期全球卫生事件导致海外新能源汽车销量短期承压，但在欧洲碳排放标准仍未改变，海外加速推动燃油车退出时间表也未发生实际改变，以及诸如大众、特斯拉等龙头车企的依旧保持快速扩张的背景下，我们预计2019-2025年国内新能源汽车CAGR将达到28.3%，2025年国内新能源汽车销量达到554.6万辆（不含特斯拉中国工厂）；海外新能源汽车年均复合增长率将达到40.4%，2025年海外新能源汽车销量达到808.5万辆（含特斯拉中国工厂）；合计全球新能源汽车年均复合增长率将达到35%，2025年新能源汽车销量达到1363万辆。2019-2025年，全球动力电池的装机量或120.3GWh大幅增长到795.36GWh，年均复合增长率高达37%。与此同时，我们根据不同车型的新能源汽车进行带电量分拆测算，预计2025年，国内新能源汽车平均单车带电量提升至64kwh/辆，海外新能源汽车平均单车带电量提升至55kwh/辆（主要基于海外暂未考虑专用车和客车等带电量更高的车型出现，且相对插电混沌比例较高原因所致），全球新能源汽车的平均带电量也有所提升至58kwh/辆。在此背景下，我们预计，2019-2025年，全球动力电池的装机量或120.3GWh大幅增长到795.36GWh，年均复合增长率高达37%。另一方面，考虑到刀片电池和的CTP技术带动磷酸铁锂“返潮”、磷酸铁锂由于本身导电性能较弱、单体带电量较三元材料较低，其对应的CNT导电剂需求也更为迫切：一方面，我们预计，未来LPF在正极材料中的占比或于2022年有所抬升至23%，2025年占比小幅下滑至16%。考虑到短期刀片电池和的CTP技术应用带动国内乘用车的磷酸铁锂占比进一步提升，我们假设,2020年国内EV乘用车（不含上海工厂）磷酸铁锂渗透率从2019年的4%大幅提升至12%，并于2022年达到25%，反之三元正极材料的占比从89%下滑至72%；并且，2020Q4开始，特斯拉中国区工厂的Model3和modelY标准续航里程的车型全部采用超级LFP电池。未来NCM811电池也可以采用CTP技术，预计未来超级三元电池（高镍化三元+CTP技术+碳纳米管）运用的推广，长期CTP+三元电池无论在能量密度还是成本方面都相对于超级LFP电池具备优势，超级LFP电池终究或仅是过渡型产品。我们预计，未来LPF在正极材料中的占比或于2022年有所抬升至23%，但因海外全部采取三元材料需求放量，2025年铁锂占比下滑至16%；反之，三元正极材料占比从79%提升至82%。另一方面，我们预计，三元材料中NCA/NCM811的占比将从2019年的34%大幅提高到2025年的88%。由于镍用量的提高有助于提高电池整体的能量密度，未来高镍化是三元正极材料发展的必然趋势，则动力电池领域811/NCA在三元正极材料中的占比将大幅提升；我们测算预计，未来全球动力三元材料中NCA/NCM811的占比从2019年的34%大幅提升至2025年的88%，NCM622/523/333的占比从2019年的66%大幅下滑至2025年的12%。在此背景下，我们预计，2025年，NCA/NCM811的三元动力电池装机量将由32.3GWh增长到578.3GWh，年均复合增速高达61.7%，成为最主流的三元正极材料。我们按照钴酸锂、三元正极材料CNT导电剂添加量11.2kg/t,磷酸铁锂正极CNT导电剂添加量17.9kg/t；同时考虑1kwh电池容量分别对应1.8千克LCO、1.93千克NCM111、1.74千克NCM523、1.59千克NCM622、1.50千克NCM811、1.46千克NCA、2.46千克LMO、2.23千克LFP，假设2019-2025年碳纳米管导电剂的添加量保持恒定。碳纳米管导电剂渗透率方面，根据高工锂电数据，2018年动力锂电领域CNTs导电剂渗透率为31.8%，我们预计到2025年CNTs导电剂渗透率将达到80%。总体来看，根据以上测算2019年全球动力锂电领域碳纳米管需求量约1081吨，预计至2025年全球动力锂电领域碳纳米管需求量将达到约14156吨，2019-2025年CAGR约54%。3.2、数码3C：预计2020-2025年，数码3C领域需求CAGR约28%相较动力电池领域，3C领域近年来对快充功能提出了更多需求。CNT导电剂通过构建线状导电网络，在减少导电剂用量、提升电池带电量基础上更进一步提升了电池快速充放电性能，近年来在高端3C数码领域取得了快速发展。我们预计2019-2025年全球非动力锂电领域CNT导电剂浆料用量将从6340吨快速提升至2.8万吨，2019-2025年需求复合增速约28%。按照单吨CNT导电剂浆料3-4万元/吨计算，市场规模将从2019年约2.2亿元快速增长至约10亿元。从非动力电池终端需求应用来看：根据我们深度需求拆分模型，锂电储能以及TWS（包括电池盒）和电子烟等领域将成为非动力锂电领域的重要增量，预计2019-2025年锂电池储能领域的CNT需求量占比将从16%提升至40%、成为非动力锂电领域的最大增量，其他领域方面，预计2025年，其他3C等需求占比约34%，手机领域需求占比约17%，笔记本领域需求占比约5%。从3C消费类电子的产量来看：我们根据IDC披露的全球2019年智能手机13.71亿部、平板144百万部和笔记本电脑160万部等真实数据为基准，假设2019-2025年，手机、平板和笔记本电脑的年均复合增速分别为3%、2.2%和2.2%，其中非智能手机与智能手机的比例为40%，5G手机在2020年的渗透率或分别达到15%，2025年渗透率或高达90%；其次，诸如电子烟和TWS全套耳机也或将从2020年开始逐步放量。伴随5G网络的逐步推出，3C消费电子领域需求端有望逐步改善，即使短期全球公共卫生事件对手机等出货量存在一定影响，但大部分消费只是延迟而非消失，若未来公共卫生事件缓和，终端需求有望迎来较大修复空间。更为值得关注的是，5G手机的推出不仅提升未来出货量预期，也带动手机的单位带电量明显改善。据中国化学与物理电源行业协会测算，2019年上半年，全球畅销的4G手机平均电池容量为3367mAh左右，较2018年增长113mAh，这与近几年手机电池容量的年均增长220mAh的趋势较为吻合。与此同时，主流的5G手机平均电池容量为4285.7mAh左右，相较于主流4G手机增长27.3%；前期也公开表示为配合5G手机应用，公司产品电池容量将从原先的3800mAh提升至4500mAh，单机带电量提升也带来了进一步CNT导电剂需求增量。落实到正极材料及单位CNT耗量：基于低成本优势，未来非动力电池领域磷酸铁锂的占比或逐步提升，而钴酸锂的占比或有小幅承压的可能性，但波动情况或相对较小。当前，手机、笔记本电脑、平板电脑、TWS和电子烟等或均以钴酸锂材料为主，部分低端也采取高镍三元和锰酸锂掺杂的形式作为正极材料。而锂电储能领域，国内基本采取磷酸铁锂，而海外仍主要采取三元正极材料为主（尤其是）；我们预计，基于成本优势，整体非动力电池领域，正极材料端磷酸铁锂的占比或逐步提升，而钴酸锂的占比或有小幅承压的可能性，但整体波动情况不会太大。2019-2025年，非动力电池领域对碳纳米管的需求增量或为1230吨，其中手机（183吨）、锂电池储能（614吨）、TWS全套和电子烟（34吨）、笔记本电脑（35吨）、其他（346吨）和平板电脑（18吨）。锂电池储能为非动力电池领域碳纳米管需求增量的核心。4、催化剂、生产控制、专利布局、客户认证等构筑深厚“护城河”4.1、生产：气相沉积法催化剂制备、连续、一致性控制均为核心难点截止目前碳纳米管的制备方法主要包括电弧放电法、激光烧灼法和化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）等。在CVD机制中，碳源在催化剂表面发生吸附、反应；反应形成的碳原子溶解到催化剂中，当其达到饱和后，碳原子不断析出形成碳纳米管；并且CVD工艺可在低温、常压下低成本的制备，并可在生长过程中对碳纳米管壁数、直径、长度、以及取向进行控制，成为目前为止最具潜力的工业化量产工艺。碳纳米管的制备方法大体上分为两个阶段：包括碳纳米管初生长和进一步纯化；

核心工艺为催化剂条件下的化学气相沉积（CVD,ChemicalVaporDeposition）碳纳米管粉体的主要生产工艺流程如下：（1）催化剂制备：该步骤为碳纳米管生产的核心步骤，催化剂生产的质量、性能将直接影响后续产出的碳纳米管质量。Fe/Co和Ni等纳米过渡金属催化剂在CNT生长过程中具有较高的催化活性及缓和的生长条件，是常用的CNT催化剂材料；另一方面，除材料配方外，碳纳米管的直径很大程度依赖于纳米催化剂颗粒的大小。因此包括催化剂的材料配方、粒径大小、一致性控制等，均是碳纳米管生产的核心工艺难点。（2）CVD碳纳米管生长：将催化剂放入碳纳米管反应器，再将甲烷或丙烯（碳氢化合物）、氢气（抑制径向生长）、氮气等按一定比例、气流速度导入，在高温条件下生长得到碳纳米管粗粉。其中CVD碳纳米管连续生产工艺以及相关设备均是核心技术难点，各厂家均建立了相对应设备专利体系。（3）CNT纯化工序（去除无定型碳以及金属杂质）：不同型号产品需要经过不同的纯化工序，其中高温氧化主要除去碳纳米管粗粉中无定形碳杂质；酸洗提纯、石墨化主要除去碳纳米管粗粉中的催化剂金属杂质。碳纳米管粗粉经过纯化工序后得到碳纳米管纯粉。（4）粉碎：最后，将碳纳米管纯粉放入粉碎机进行粉碎，制备得到分散性较好的碳纳米管粉体。（5）碳纳米管导电浆料生产：由于碳纳米管粉分散性差、容易发生团聚，导致在应用过程中导电、导热性等大幅不及预期，目前的主流工艺是在将CNT粉体与NMP、分散剂等进行混合，以浆料形式向下游客户销售。①按照一定比例将分散剂和溶剂（NMP或去离子水）进行搅拌，使得分散剂与溶剂充分融合，随后加入一定比例的碳纳米管粉体，充分搅拌均匀至碳纳米管粉体在溶剂中预分散。②将预分散好的浆料投入砂磨机进行分散，制备得到分散均匀的碳纳米管导电浆料。4.2、专利：龙头厂商具备完整专利布局，新进入者面临“专利护城河”截止目前全球主流碳纳米管生产商包括天纳科技、三顺纳米、青岛昊鑫以及韩国LGchem等，各自均已在碳纳米管领域提前规划深厚的专利布局。具体来看，碳纳米管制备领域的主要专利壁垒主要体现在催化剂制备、宏量连续生产设备、分散设备、分散浆料&复合导电剂配方等方面。从incoPat口径统计的中国地区专利申请数方面，LGchem的专利申请数为43，位居第一，、三顺纳米、青岛昊鑫分列二到四位；其中，天奈科技的发明申请与实用新型专利申请均位居行业第一位。4.3、客户：认证流程复杂、考察要素多样，下游客户黏性很高由于锂电池企业对原料的性能、批次稳定性、交货期和供应的及时性等要求很高，加之客户更换原料供应商的成本较高（包括产品送样检测、供应商认证等众多流程），因此锂电池企业在选定供应商前均会对供应商的生产设备、研发能力、生产管理、产品性能和产品质量控制能力进行考察和遴选，业务关系一旦建立，就会在相当长的时间内保持稳定；新进入者需要较高的成本和较长的时间才能在行业内立足；对于CNT领先生产商而言，稳定而优质的客户关系对新进入者构成显著壁垒。5、重点公司5.1、：全球碳纳米管行业领先企业，产能提升正在路上是国内碳纳米管行业龙头，在研发、生产、专利布局、下游客户拓展等领域均位居领先地位。公司主要从事纳米级碳材料及相关产品的研发、生产及销售，主要产品包括碳纳米管粉体、碳纳米管导电浆料、石墨烯复合导电浆料、碳纳米