碳纳米管行业深度研究快速崛起的新型电池材料

碳纳米管行业深度研究-快速崛起的新型电池材料1.技术替代效应显著，碳纳米管市场进入爆发期1.1.导电剂是碳纳米管材料最常见应用场景碳纳米管是一种新型的碳结构材料，微观外形是同轴圆管，管壁为数层呈正六边形结构的碳原子。径向尺寸（沿管）为微米量级，轴向尺寸（横截面）为纳米级，因此被称为碳纳米管。1991年由日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现。正六边形的碳结构具有优良的物化性质。1）高导电导热：碳原子最外层是4个电子，当每个碳原子提供一个电子与另外三个碳原子成键之后，剩下的一个电子变为游离态，脱离单个碳原子的束缚在结构内自由运动，显示金属一般的导电性。导热分为电子导热和声子导热，而声子导热主要取决于材料刚性，因而材料的导热性能也十分优异。2）优异力学性能：碳原子化学键间的120度夹角（键角）符合杂化成键（SP2杂化）的最佳角度，因而微观结构上具有很强稳定性，材料表现高力学性能。3）润滑防腐：由于结构类似石墨，因而材料也具有很好的润滑效果。材料性质决定了产品用途。与“导电导热”“力学性能”“润滑防腐”对应的，碳纳米管被作为导电剂、增强材料、导热剂在产业界具有广阔的运用场景，形成了较为广阔的市场。增强材料：碳纳米管具有与金刚石相当的硬度、较好的柔韧性。同时其长径比很高，非常适合作为“超级纤维”。若以其他工程材料作为基体，掺杂碳纳米管形成复合材料，可广泛运用于航空航天、国防军工等高精尖领域。润滑添加剂：将碳纳米管添加到润滑油中，纳米微粒能分布在摩擦界面起到微轴承的作用，进一步改善润滑性能，减小摩擦。防腐剂：碳纳米管微观结构具有强化学稳定性，能够掺杂在涂料里达到防腐效果，减少因腐蚀带来的损失。但以上用途目前仍只在较小范围内使用，主要受到航空航天、国防等高精尖产业关注，预计短期内不会达到大面积工业商用的地步。作为导电剂是目前应用最广的场景。1.2.正极材料导电剂更新换代，碳纳米管迎来爆发期锂电池在充放电过程中，正负极极片上都有电流通过，电极电位偏离平衡产生极化。极化电压不合理会造成隔膜穿刺导致短路。产业研究显示，目前锂电池常用正极材料磷酸铁锂/三元（NCM、NCA）仅依靠活性物质的导电性无法满足电子迁移速率要求，加强材料导电性成为必要处理工序。由于材料改性、纳米化等其他增加导电性的方式成本过高，目前采用导电剂包覆的方式在正极材料中广泛使用。导电剂的添加要求是必须且适量。在不添加导电剂时，导电物质无法构建有效的导电网络，导致电池内阻过大，无法正常功率放电。当导电剂含量过高时，导电性能不会显著提升，但会降低材料中活性物质的含量，导致电池能量密度下降。导电剂增加导电性的原理是添加高导电材料在正极、负极材料活性物质如磷酸铁锂、石墨结构之间，起到相互链接的作用，将活性物质发生反应产生的小电流聚集，最后汇集到集流体铝箔、铜箔上形成大电流，向用电器输送。常用锂电池导电剂主要包括传统导电剂（如炭黑、导电石墨、碳纤维等）和新型导电剂（如碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等）。炭黑是目前最为广泛使用的导电剂，价格低廉但较大依赖进口。不同导电剂的微观结构各不相同，按包覆的接触面积来分，可以大致分为点接触（如炭黑、导电石墨）、线接触（碳纳米管、碳纤维）和面接触（石墨烯）。接触面积越大，导电能力越好，但其生产工艺更加复杂，成本也更高。碳纳米管的线接触实际上就是在活性物质的微粒上搭上“导电桥”，因此导电效果更好。碳纳米管最显著的优点来自于导电性能优异，从而满足导电性要求下，其添加量可以更小从而提升活性物质含量。研究发现，碳纳米管与其他材料如石墨烯混合时，导电性能更加优异。碳纳米管电化学阻抗为49.4，仅有传统材料炭黑SP的一半。采用与石墨烯混合阻抗更是降至22.8。若用碳纳米管代替炭黑，导电性的提升十分可观。较少的掺杂量弥补了碳纳米管高价的劣势。一般而言，导电剂添加量为正极或负极重量的1%-3%。炭黑在正极材料中的添加量一般为3%左右，而碳纳米管、石墨烯等新型导电剂的添加量可降低至0.5%~1%左右，达到同样的导电效果，碳纳米管的用量仅为炭黑的1/6~1/2。2018年传统炭黑导电剂（SP）为5.0-6.5万元/吨，而碳纳米管导电剂价格为45-55万元/吨，单价为炭黑单价的10倍。但由于掺杂量较小，落实到单位成本，碳纳米管仅是炭黑单位成本的1.7-5倍。由于导电剂成本在锂电池中占比较小，牺牲部分小成本而获得材料克容量增大、循环性能更好等优势成为下游锂电池厂商的权衡考虑。国产替代持续，技术突破有望助力碳纳米管材料价格更低。国产化材料具有的成本优势有望助力国内碳纳米管的价格进一步下降，竞争力获得提升。传统导电剂炭黑价格波动小，对比碳纳米管的经济优势逐渐缩小。炭黑是黑色粉末状物质，由含碳物质（主要为煤焦油）在空气不足的条件下经不完全燃烧生成。按照用途炭黑可分为橡胶用炭黑、色素用炭黑、导电炭黑和专用炭黑，其中橡胶用炭黑又可分为轮胎用炭黑和其他橡胶用炭黑。橡胶用炭黑用量约占总用量的90%，而导电炭黑则在其中占比不足5%。因此炭黑的价格主要受到下游橡胶行业的需求和上游煤焦油价格的影响，短期内降价幅度不大。因此随着碳纳米管的技术成熟，与替代品中的价差缩小使得碳纳米管逐渐占据优势。综合性能、成本和制造难度考虑，碳纳米管逐渐成为产业界的首选，替代炭黑的趋势非常明显。碳纳米管具有导电性能优越，添加量小，提升压实密度等优点，随着技术逐渐成熟，成本逐渐可控。2018年全球碳纳米管导电浆料市场出货量为3.44万吨，同比增长25.9%，国内2018年碳纳米管导电浆料市场出货量为3.25万吨

（含CNT/石墨烯复合浆料，纯碳纳米管导电浆料2018年出货量2.85万吨），同比增长26.3%。导电剂中碳纳米管占比由2014年的14%快速上升至2018年的32%。导电剂的存量角度，技术替代使得碳纳米管迎来爆发期。1.3.导电剂市场受到新能源汽车产业链强势驱动，增量可观世界主要国家均在大力发展汽车产业，并限制燃油车的销售。世界各国各地均提出了燃油车停售时间表，欧洲国家如荷兰、挪威最为严格，禁售时间为2025年，距今只剩5年半时间，挪威作为电动汽车先驱国家更是将非电动汽车全部禁售。根据高工锂电报告预测，在锂电池领域，未来5年全球碳纳米管导电浆料需求量将保持40.8%的年复合增长率，2021年需求量达10.82万吨，若按照目前4万元/吨的价格计算，3年后市场空间达到43.3亿元，是目前13.8亿空间的3.14倍。1.4.导电性拓展新的应用场景1.4.1.硅碳负极提升电池的能量密度一直是产业界最为关心的问题。短期内，它与补贴政策息息相关，长期角度，它是实现传统燃油车替代的关键。锂电池系统具有“木桶效应”，其能量密度提升的瓶颈在于正极材料，目前整体能量密度限制在200-240Wh/kg左右。但根据2017年5月印发的《汽车产业中长期发展规划》中要求，到2020年动力电池能量密度达到300Wh/kg，力争达到350Wh/kg，这项目标不仅对目前的正极材料提出了很大的挑战，也同时要求着负极传统石墨材料的更新换代。目前，产业界认为硅碳负极是合理的选择。由于硅原子的加入大大降低了导电性，因此硅碳负极与目前的正极材料一样必须加入导电剂。目前碳纳米管导电浆料在硅基负极中表现出良好的性能：1）优异的导电性弥补了硅原子带来的不足。2）硅碳负极需要解决热膨胀问题才可使用，因此其束缚结构稳定性至关重要，而碳纳米管具有很好的化学稳定性。3）极大的比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。2018年全球硅碳负极出货量达到1.75万吨，同比增长52.2%。主要受到-特斯拉体系的强势驱动。国内硅碳负极出货量为5440吨，同比增长2.3倍，占负极材料比例为2.8%。随着中国工厂建成，加上国内主流动力企业如对于硅碳的进一步重视，我们预计硅碳负极出货量增速将保持高位。1.4.2.导电塑料碳纳米管优越的导电性除了在锂电池材料被运用，还能成为塑料的添加剂制造导电塑料。方法主要是将碳纳米管材料做成与树脂等基底材料相匹配的导电母粒，再添加到各种塑料中。导电塑料的应用场景十分广泛，半导体、防静电材料、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域都有着对导电塑料需求。碳纳米管已经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，已经显示出巨大的应用价值。导电塑料的目前应用体量较小，国内碳纳米管企业仅有有少量出货，公司已与各大国际知名化工企业包括沙特SABIC、、科莱恩、都展开了合作，开始了产品认证程序。对SABIC公司已完成产品测试。未来导电塑料领域有望成为碳纳米管另一大应用场景，催生广阔市场。2.高技术壁垒保证行业高毛利2.1.生产技术难度大，行业毛利率高锂电用碳纳米管行业的生产主要分为两步：1）生产粉体2）混浆。粉体的生产方法包括电弧法、化学气相沉积法、催化热分解法等。化学气相沉积法具有反应易控制、能源消耗小、副产物少，单批次产量高等特点，产业界综合考虑成本及生产效率等因素，目前均采用了基于化学气相沉积法批量制备碳纳米管的工艺。化学气相沉积法的原料气一般为丙烯和氮气，为基本化学品。工艺的关键是催化剂，催化剂不仅决定了反应的速率和反应程度，还能控制碳纳米管的生成方向。碳纳米管影响导电性的两个核心指标是长径比和碳纯度，长径比越高（管体越细长）碳纯度越高，碳纳米管性能越好。优秀的催化剂具有与碳纳米管管体大小相匹配的颗粒，控制碳纳米管的直径，而引导碳原子朝径向生成，生成更“细长”的碳纳米管管体。锂电池用碳纳米管浆料的第二部是混浆。其工艺流程较为简单，附加值不高。主要是将分散剂、溶剂和碳纳米管溶解、分散形成浆料。分散剂的主要作用是将团聚状态的碳纳米管粉末有效的散开到浆料中，到后续混合正极材料时能分散到各微粒间实现“搭桥”的功能。溶剂的主要作用除了溶解外，还需要粘结集流体，有油系溶剂NMP（N-甲基吡咯烷酮）与水系去离子水两种选择。目前产业界锂电池正极主要以油性为主，占比达到90%左右。两个步骤综合来看，由于催化剂作为工艺中最核心的原料不参与反应，没有消耗，因此碳纳米管生产的毛利率较高，行业龙头天奈科技2018年的毛利率达40.4%。收入构成中另一大部分来自于原材料，占收入比为39.3%。三顺科技毛利率为45.6%原材料占收入比为29.7%，同样为占比最大的两个部分。从原材料采购金额中可以看到，溶剂NMP占比达到88.0%，远超其他原材料。NMP价格对业绩弹性大，但波动范围较小。考虑到原材料NMP成本很高，NMP对利润弹性也很高。按照招股书的测算，NMP价格上涨10%将导致公司利润总额减少1085万，使得2018年的利润总额减少13.91%，其中的假定是出售价格不变，但实际上NMP成本有较大向客户传递的可能。主要考虑到混浆工序有代工的选择，如与青岛昊鑫2018年以前曾有，由比亚迪提供NMP原材料，青岛昊鑫加工的情况，此时NMP不计入原材料成本。同时，NMP属于基础化工品，原料价格波动主要取决于上游原材料BDO（1,4-丁二醇）。自2019年以来，NMP现货价基本稳定在15000元/吨。自2015年以来，NMP价格最高不超过18000元/吨左右，振幅较小。考虑到混浆工序仅仅是将原材料混合，附加值不高，而总成本占比最大部分——

NMP是混浆部分的原材料，因此混浆工序的毛利率应当在较低的水平。考虑碳纳米管行业总体毛利率在40%左右，碳纳米管粉体生产过程毛利率应在40%以上，属于高盈利行业。2.2.产学结合，高研发投入形成高技术壁垒碳纳米管粉体的制备工艺依托于学术界的不断研究。碳纳米管是纳米级材料，属于高端化工行业。最早由日本NEC公司基础研究实验室饭岛博士发现，由于结构特殊被认为具有极高的理论研究和实际应用价值，随后学术界对其进行了大量研究。直到2007年日本首次开发出在大面积金属板上合成大量单层碳纳米管的技术，采用了“SuperGrowth”化学气相生成法，为后来产业化的奠定基础。制备工艺的国产化首先也是从高校研究结构开始的，产业界借助产研合作、购买专利等的方式实现商业化，目前行业内各大企业都有出身高校研究所的科研专家。生产专利技术为行业铸造了较高的进入壁垒。另一方面，碳纳米管作为新兴行业，更新换代速度较快快，对企业的持续创新能力要求更高。以为例，公司在短短2年内已完成主力产品从第一代到第二代的更新，同时第三代产品已经开始放量。公司第一代碳纳米管导电浆料产品主要用于磷酸铁锂电池，其导电性能相对较低，但具备低成本优势。第三代产品碳纳米管直径10-15纳米，长度3-10微米，更细更长导电性能优越，适配与高镍三元电池。但作为锂电池材料，碳纳米管材料的性能还需要考虑与其他材料的配合是否良好。因此，碳纳米管生产企业需要将产品送到下游客户厂商检验，锂电池厂商采用后制成锂电池，再综合评价碳纳米管材料的优劣。因此，仅仅考虑上述两个指标对碳纳米管材料进行评价是不够的，客户认证也是性能优越的重要标志。3.绑定核心优质客户是快速拓展市场关键3.1.行业扩产较为保守，预计供需偏紧目前行业内主要企业的产能规划能够满足需求，2018年、和青岛昊鑫的产能分别为1.1、0.53和1万吨（青岛昊鑫含石墨烯产能），2017年三顺纳米产能达到0.26万吨。2018年天奈科技、青岛昊鑫产能利用率分别为71.7%、68.7%。考虑到行业整体2018年需求约为3万吨，行业的产能规划基本能够满足需求，其产能利用率处于高位。面对未来广阔的市场，行业内主要企业均有扩产计划。

近期首次公开发行募集资金将投向“3000吨碳纳米管与8000吨导电浆料及年收集450吨副产物氢项目”、“石墨烯、碳纳米管与副产物氢及相关复合产品生产项目”、“碳纳米材料研发中心建设项目”，总投资10.3亿元。其中，“石墨烯、碳纳米管与副产物氢及相关复合产品生产项目”将与2020年形成年产300吨石墨烯、3000吨碳纳米管、10000吨导电浆料、2000吨碳纳米管导电母粒的产能，2020年碳纳米管导电浆料产能达2万吨。三顺纳米投建“年产1万吨碳纳米管导电浆料及4000吨硅基负极材料建设项目”项目总投资5.67亿元，全部为自有资金，预计2020年8月投入使用。届时碳纳米管导电浆料产能将达到1.25万吨左右。青岛昊鑫规划2019年导电剂产能由目前1万吨增加至1.72万吨。集越纳米至2019年初完工产能1.2万吨。预计到2020年，行业前四公司合计产能6.2万吨左右。考虑到预计2020年碳纳米管导电剂需求达到8.2万吨，我们认为供需在短期仍然偏紧。3.2.降价趋势清晰，但幅度受供需限制碳纳米管行业产品价格总体呈上升趋势，行业整体保持在4万元/吨左右。主要原因是行业处于行业快速发展期，新世代的产品更加优越的性能能形成一定程度的溢价，同时更为复杂的工艺以及更为严格的原材料要求也促使成本上行。两个因素叠加导致新世代产品单价大大高于旧世代产品。类比其他材料，碳纳米管价格下行趋势较为清晰。随着新能源汽车补贴政策逐渐退坡，车厂将成本向上游传递，近年来动力电池及动力电池各大材料都面临了产品价格大幅下降，盈利情况恶化的情况。动力电池方面磷酸铁锂电池和三元（NCM）电池都由2014年的2.8-3元/Wh下降至2019年初1.2元/Wh左右。与碳纳米管类似，同样具有高技术壁垒，盈利性较好的隔膜价格同样也是经历了较大的下滑。湿法隔膜的价格从2014年初接近6元/平下降至2019年1-2元/平左右。碳纳米管行业目前仍处于盈利性较好的阶段，随着技术不断成熟，价格未来有下降的趋势。随着行业不断发展，技术不断成熟，产品的长径比以及碳纯度等指标已经达到了很高的水平，新产品的迭代速度已经放慢。同时考虑到供需偏紧，我们预计碳纳米管的价格下降幅度不大。3.3.客户集中度高，拓展客户是关键碳纳米管行业目前处于高速发展阶段，2018年市场空间在10亿元左右。而纳米化工具有较高的技术要求，进入壁垒较高。高壁垒的小市场造成了目前的市场格局——玩家较少，集中度较高。2018年按出货量统计，出货量第一的公司为，市占率达到30%。前五大公司为天奈科技、三顺纳米、集越纳米、青岛昊鑫和德方纳米，TOP5所占市占率达到88%。按市值统计与按出货量统计的结果无太大区别，天纳科技面向高端市场，按产值的市场空间进一步增大至34%。碳纳米管的下游客户主要是锂电池厂商，锂电池行业也具有较高的集中度，导致碳纳米管企业的客户集中度处于较高的水平。、青岛昊鑫前五大客户的销售收入占比达到了90%以上。国内国际锂电池市场集中度处于较高水平。2018年，国内动力电池市场双龙头CATL与合计占据了58.7%的市场；全球动力电池市场前四企业CATL、、比亚迪和LGChem形成了较为明显的第一梯队，合力占据了72%的市场。全球锂电池行业（含动力电池、消费电池和储能电池）前五大企业也占据了45%的市场。市场空间的消化需要落实到具体的客户，进入优质客户的供应链体系是短期内抢占市场的关键。同时，作为典型的材料厂商，碳纳米管的性能要综合其他材料反映到最终产品——锂电池上，锂电池生产企业对原料的性能、批次稳定性、交货期和供应的及时性等要求很高加上客户更换原料供应商的成本较高，因此锂电池生产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、产品的性能和产品质量控制能力进行严格的考察和遴选。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立足。行业特性使得碳纳米管导电剂行业具有较高的客户壁垒。从下游客户角度来看，国内动力市场、是使用碳纳米管导电剂先驱。2017年比亚迪向、青岛昊鑫两家供应商采购了1.17亿元碳纳米管导电浆料（含碳纳米管+石墨烯混合浆料），2018年天奈科技向比亚迪出货1.13亿元。考虑到2017年比亚迪电池出货量为5.4GWh，若按照1GWh电池使用0.2万吨正极材料，碳纳米管分体的掺杂比为1%，碳纳米管浆料的粉体质量占比为4%计算，浆料4万元/吨，可测算出比亚迪几乎所有的电池均采用了新型碳纳米管导电剂。国轩高科的碳纳米管导电剂使用量也十分可观。目前

CATL用量较小，主要使用传统导电剂。2018年宁德时代向

材料1955万元碳纳米管导电剂，经测算约对应0.98GWh的电池，占比不高。目前，CATL与青岛昊鑫开展商务谈判和技术谈判，并接受青岛昊鑫产品进行了送样检测。国内市场期待宁德时代的导电剂产品升级，碳纳米管需求量大增。海外市场目前主要集中在消费电池领域，三星SDI向三顺纳米采购碳纳米管导电剂用于3C电池。目前日韩动力电池企业在锂电池导电剂方面主要使用的是炭黑和VGCF，如，碳纳米管目前处于测试认证阶段。LG集团自身有碳纳米管导电剂的生产能力，目前自给自足。未来随着国内碳纳米管产品在松下、LG等日韩企业认证通过，海外市场有望实现突破。4.相关标的4.