钠离子电池硬碳材料行业分析报告供给与需求有望形成共振

钠离子电池硬碳材料行业分析报告-供给与需求有望形成共振1.钠电产业链初步成型，负极材料换新，硬碳为当下主流1.1.无惧碳酸锂价格调整，钠电产业链布局成型碳酸锂价格短期调整，影响钠电行业2023年定价水平，不改行业加速趋势。受动力电池行业需求季节性波动影响，近期碳酸锂价格持续回落，2022年底电池级碳酸锂含税价降至51.75万元/吨。但碳酸锂供需关系并未显著转变，2023年价格或仍运行在40万元/吨以上。参考历史数据，在电池级碳酸锂价格为40万元/吨时，方形储能LFP电芯、方形动力LFP电芯、电动自行车LFP48V24Ah模组单价分别为0.98/0.78/0.95元/Wh。假设钠电定价比LFP低20%，粗略估算各场景下对应钠电电芯（模组）定价分别为0.78/0.62/0.76元/Wh，定价具备可行性。负极材料产能短缺构成目前行业发展瓶颈，随着佰思格2000吨产线投产，钠电产业链初步成型。锂离子电池产业链除负极材料外，基本兼容钠离子电池。面对强劲需求，负极材料存在产能短板。行业内日本可乐丽硬碳材料单吨售价20万以上，不支撑钠电行业发展。2022年3月，中科海钠&华阳股份低成本无烟煤基负极材料2000吨产能投产，但主要为自供。2022年11月底，佰思格2000吨硬碳产线投产，高端/低端产品售价分别为8/6万元/吨，公司订单饱满，补齐产业链短板。1.2.两轮车&低续航电动车领域钠电先行，硬碳成为主流负极材料碳基类负极材料最具商业化应用潜力。钠离子电池负极材料主要有碳基材料、钛基化合物、合金材料、金属化合物等。其中合金材料和金属氧化物材料循环过程中会出现较大体积变化，循环性能有待提高；钛基化合物负极电池能量密度相对有限。碳基材料中，传统石墨作为商业化锂离子电池体系最常用的负极材料，由于热力学原因，钠离子无法嵌入到石墨层间与碳形成稳定的化合物，因此石墨难以作为钠电负极材料。层间距较大的无定形碳（软碳、硬碳）具有较高储钠容量、较低储钠电位、优异循环稳定性，应用前景良好。当下钠离子电池性能基本满足两轮电动车及低续航电动车要求，下游客户需求明确。目前钠电行业中试电芯性能，大体范围落在能量密度100-160Wh/kg（接近磷酸铁锂电芯140-180Wh/kg），循环寿命1500-5000次区间。下游需求方面，低速电动车循环寿命>1300次，电动车主机厂要求循环寿命>2000次，储能寿命>8000次（户储及国内强制配储一般4000-5000次）。基于电芯性能情况及产品认证进展，钠电有望率先在两轮车上量产应用。电动车方面，部分厂商正在/即将进行整车冬测，两轮车钠电量产成本影响车企实际装机需求。钠电高能量密度应用领域决定硬碳成为主流，极致成本追求并非行业当下主旋律。目前钠电产业化重点落在两轮车和低续航电动车领域，缩小钠电电芯与LFP电芯能量密度差距为行业首要任务。主流材料厂商量产的层状氧化物正极材料克容量约为140mAh/g（LFP克容量150mAh/g），量产的软碳/硬碳克容量分别为220mAh/g

（首效约82%）和280-320mAh/g（首效85-88%）（石墨克容量310-360mAh/g）。以NaCP10/64/165软包为例，将负极材料克容量从300~310mAh/g简单替换为220mAh/g后，能量密度从约153Wh/kg降至约136Wh/kg（下降约11%），假设两种负极材料售价分别为8/3.5万元/吨，软碳电芯Wh成本下降约0.01元，较低首效影响正极容量发挥，Wh成本下降有限。2.八仙过海各显神通，生物质前驱体更胜一筹2.1.前驱体与硬碳微观结构相关性高，关系硬碳材料性能硬碳重要性能参数包含比容量、首次效率、压实密度、循环性能等，硬碳主要通过在平行碳层之间嵌入、微孔中填充、碳层表面&边缘或缺陷位置吸附储钠，硬碳的微观结构及表面状态直接影响硬碳材料性能。硬碳前驱体同硬碳微观结构相关性较高。硬碳形成过程通常经过热解（芳构化、缩聚）和炭化（石墨层形成、碳层长大）过程。高温热解过程中发生的反应跟硬碳的微观结构密切相关，前驱体中的大分子结构在热处理时会持续存在，不会像石墨化碳一样转化为流体相，形成的硬碳与母体具有类似的微观结构和形态。2.2.生物质基硬碳路线具备综合性价比，产业化进程居前硬碳前驱体部分决定硬碳材料性能，前驱体分为化石燃料基、树脂基、生物质基。树脂基硬碳性能优异、一致性好，得益于能够精细调控孔径结构、表面化学性质以及活性位点；缺点是成本偏高；化石燃料基前驱体来源广泛、炭产率高，原材料成本端占优；但是直接碳化容易得到软碳，制备硬碳时，需要在碳化前预氧化，目前工艺不成熟、克容量偏低；生物质基前驱体具备独特微观结构，本身具备自掺杂效应（煅烧后含少量氮、磷、硫元素），活性点位多，成本、性能居中。生物质衍生硬碳分为植物器官类衍生物、生物提取物衍生物和生物废料类衍生物。碳储钠性能提升策略趋同。简单制备硬碳材料通常具备较低的电极电位和首次库伦效率以及较差的循环稳定性和倍率性能。主要通过以下策略提升硬碳储钠性能：

通过调控前驱体的合成以及热解过程，在微观上调控硬碳的孔隙结构和层间距；

与其他材料的包覆和复合、杂原子掺杂等来调控材料的缺陷程度和层间距；

电解液的调控以及预钠化的处理。硬碳制备工艺通常分为前驱体预处理、碳化、后处理三部分，针对不同前驱体独有特点，硬碳生产工艺略有区别：

沥青直接碳化易于形成软碳，杉杉股份专利采用了交联剂使沥青发生交联聚合反应，然后进行碳化处理；

酚醛树脂固化后进行碳化，贝特瑞专利增加了包覆工序，提高首次库伦效率；

秸秆直接碳化碳收率偏低，圣泉集团加入生物溶剂进行分子重排，提升碳收率；椰壳在碳化后，可乐丽增加了CVD处理工序，产品首次库伦效率提升显著，同时极大增加了生产成本；

淀粉纯度较高，佰思格专利包含杂原子掺杂工序，增加产品克容量，前驱体碳化后同可乐丽一样，增加了表面改性工序；

毛竹较椰壳灰分含量高，预烧成竹炭后进行酸洗，随后碳化出处理。钠电负极材料多种技术路线并行，生物质基硬碳产业化进程居前。传统负极材料厂商在生物质基、化石燃料基、树脂基硬碳基本均有布局，起步较早，技术储备雄厚。新进参与者以生物质基为主，充分发挥自身资源、渠道端优势。此外，华阳股份&中科海钠布局低成本无烟煤基软碳（同样具备较高无序度）。目前生物质基路线产业化进程较快，已量产的可乐丽和佰思格均为该路线，我们预估2023年由第三方硬碳供应商提供的有效产能合计达1.55万吨（对应约10GWh电芯），其中明确为生物质基技术路线的有1.3万吨。3.性能、综合成本及量产可行性决定生物质前驱体选择3.1.椰壳、淀粉、竹子、秸秆路线产品性能、成本不存在显著差异椰壳、淀粉、竹子、秸秆四种生物质前驱体制备的硬碳材料产品性能优异。当下缩小钠电电芯与LFP电芯能量密度差距为行业首要任务，高克容量、高首效、高压实为硬碳材料开发目标。从产品性能看，椰壳、淀粉、竹子、秸秆制备的硬碳材料产品克容量普遍高于300mAh/g，首效高于85%。通过CVD法表面处理，日本可乐丽椰壳基硬碳产品首效、压实密度、充放电倍率性能良好。通过元素均匀掺杂，淀粉克容量提升显著。生物质前驱体综合成本居中，椰壳、淀粉、秸秆、竹子制备硬碳成本不存在显著差异。

制造费用&直接人工成本端，前驱体预处理及碳化工序制造费用较低，由于各类前驱体（无烟煤除外）均存在特殊工序，假设制造费用+人工成本均为2.5万元，采用CVD法进行表面处理成本较高，假设制造成本额外增加5万元。原材料成本端，除酚醛树脂、无烟煤外，其余路线原材料成本差异有限。3.2.原材料供应稳定及一致性构成生物质基硬碳量产瓶颈生物质前驱体产业化需解决供应稳定性以及一致性问题，保障材料结构一致性是保障电池系统循环寿命和安全性的基础。不同产地和批次的生物质往往不具有一致性，而硬碳材料的结构依赖于前驱体的状态和碳化工艺，只有保障前驱体具有高度一致性，碳化过程中受热非常均匀，才能保障最终硬碳材料产物的一致性。3.2.1.椰壳：农业废弃物，主要供给来自南亚、东南亚，或存进口依赖椰壳为椰子的内果皮，质地坚硬，一般被用于生产制作器皿、工艺品和活性炭。椰壳基硬碳孔隙结构发达，灰分含量及H/C与O/C比低，是一种较理想的负极材料，目前产业化进度较早，且性能较好。椰壳作为一种生物质废弃物，产量受限于椰子产量。椰子的主要产区为斯里兰卡、马来西亚、印度和菲律宾等，我国海南、台湾等地区有少量种植，其中海南省栽种面积国内占比超过99%。根据联合国粮农组织数据，2021年全球椰壳产量128.76万吨；2021年国内椰子产量39.23万吨，按椰壳12%的质量占比推算，我国椰壳产量不超过4.71万吨。国内椰壳产量难以满足硬碳产业化需求，椰壳路线未来存在原材料进口依赖。一般认为椰壳生产硬碳的得率为20%-25%，1GWh电池的硬碳负极需求量约为1500吨，所以国内椰壳的年生产潜力最多满足约6GWh电池的使用量。此外我国海南省相较于菲律宾、印尼等椰子产区，纬度更高，日照时间及强度较弱，所产椰壳较薄，硬度偏低，并不是制造椰壳炭化料的最佳材料，东南亚产椰壳一般为企业首选。3.2.2.淀粉：工业品，纯度较高，能够保障产品一致性淀粉是最丰富的可再生生物材料之一，广泛存在于多种植物中。作为一种典型的多糖，淀粉成分简单，含碳量高，价格低廉，同时，相较于其他生物质前驱体，淀粉表现出的天然球形型态使其成为制备硬碳极具竞争力的前驱体材料。佰思格量产路线选择淀粉、蔗糖为前驱体，产品克容量及首效等指标优异，性能位居行业前列。淀粉作为工业品，国内供给充足，纯度较高。我国淀粉年产量大，2020年国内淀粉产量达3389万吨，且生产厂家数量较多，市场供应充足稳定，不存在单一供应商风险。淀粉是有机高分子碳水化合物，纯度较高。有机高分子化合物作为硬碳碳源时，可以结合特定的合成方法得到具有特殊形貌的硬碳材料，合成工艺往往较为复杂，但能够避免杂质，保障结构的一致性。3.2.3.毛竹：生长周期短的可再生资源，活性炭厂家入场，毛竹路线值得期待毛竹是禾木科刚竹属植物，竿型粗大，生长快，经5-8年生长材质即可稳定，是竹类中经济价值最高的竹种，广泛应用于建筑业、造纸业及其他领域。中国竹林资源丰富。中国是毛竹的故乡且产量最丰，第九次全国森林资源清查结果显示，我国竹林面积为641.16万公顷，其中毛竹林占比72.96%。毛竹在我国主要分布于秦岭汉水流域和长江流域以南地区，其中福建省2020年竹材产量以9.57亿根，占比29.51%位居第一。根据《中国林木剩余物数量估算》，以150吨/万株的平均重量为标准，推测国内2020年竹材产量为4864.5万吨。活性炭与硬碳原材料、制备工艺相近，钠电行业空间广阔，活性炭龙头企业入场。硬碳制备工艺通常分为前驱体预处理、碳化、后处理三部分，其中以硬碳前驱体为原材料（椰壳炭、竹炭、生物炭等）的工艺路线与人造石墨相接近，但无需石墨化工序。活性炭制备工艺通常包含原材料处理、活化、碳化等工序，与硬碳制备前段工序重合度较高，但无需造孔的活化工序。通常竹子等生物质基硬碳制备过程不含后处理工序，活性炭与硬碳制备工艺相近。国内活性炭龙头元力股份宣布已攻克毛竹基硬碳路线，公司未来硬碳生产将以毛竹为主。资源富集区企业凭借原材料渠道能力解决一致性问题值得期待。元力股份位于福建南平，周围多毛竹产区（建瓯、顺昌、尤溪等）。相似地理环境下毛竹供应充足，可以有效缓解硬碳前驱体原材料的一致性问题。3.2.4.秸秆：农业废弃物，资源丰富，“生物溶剂法”有望解决一致性问题秸秆作为农业废弃物，资源丰富。中国是农业大国，小麦、玉米和水稻等高产量农作物每年提供巨量的生物质秸秆资源。2020年国内农作物秸秆生产量为7.92亿吨，其中可收集资源量达6.67亿吨。秸秆作为农业废弃物，长期以来主要被应用于取暖能源、家畜饲料和有机肥料等方面，其中肥料化利用占比最高，2020年占比51.2%。生物溶剂法有望解决秸秆原材料一致性问题。圣泉集团利用“圣泉生物溶剂法”生物质精炼技术，将秸秆中碳含量高且易于成炭的木质素、部分半纤维素和纤维素组分有选择性的溶剂到生物溶剂中，在生物溶剂中发生分子间重排及分子内重排，在重排中，迁移分子或基团完全游离并脱离原来的体系，然后与新体系进行重新排列连接。通过重排等分子设计手段按照工艺要求进行树脂化形成生物基树脂，进一步加工成生物炭作为硬碳前驱体