2023-2030年硬碳材料行业市场调研及前景趋势预测报告

盛世华研·2008-2010年钢行业调研报告2023-2030年硬碳材料行业市场调研及前景趋势预测报告PAGE2服务热线圳市盛世华研企业管理有限公司数据权威·全面·系统·深度+可落地执行实战解决方案2030年硬碳材料2023-2030年硬碳材料行业市场调研及前景趋势预测报告报告目录TOC\o"1-3"\u第一章2022-2023年我国硬碳材料行业市场深度调研 9第一节硬碳材料行业市场基本情况 9一、硬碳材料行业市场现状分析 9二、硬碳材料行业市场特点分析 11三、硬碳材料行业市场规模分析 15四、硬碳材料行业市场结构分析 16第二节2022-2023年我国硬碳材料行业市场深度调研 18一、硬碳材料行业市场需求状况 18二、硬碳负极是钠电迈入产业化的关键一环 19三、2023年市场供求及其变动状况 22四、硬碳材料行业市场痛点分析 24（1）合适前驱体的筛选和稳定批量供应 24（2）国内产能较低、进口价格昂贵 24（3）国产材料在性能方面难以与进口材料匹敌。 25五、破解钠电生物质硬碳量产瓶颈 26第二章2022-2023年我国硬碳材料行业市场竞争格局分析 27第一节行业市场竞争格局分析 27一、硬碳材料行业竞争格局分析 27二、硬碳材料行业竞争特征分析 28第二节已经实现和将实现硬碳出货的企业 29一、已经实现硬碳出货的企业 29（1）可乐丽 29（2）佰思格 29（3）贝特瑞 30（4）杉杉股份 31二、2023年有望实现硬碳出货的企业 31（1）多氟多 31（2）元力股份 31（3）圣泉集团 39（4）珈钠能源 40第三节行业市场竞争策略分析 40一、当前硬碳材料行业竞争策略分析 40二、硬碳材料行业企业核心竞争力分析 42第四节中国硬碳材料行业竞争态势预测 43第三章钠电产业化在即，负极材料成为行业发展关键 45第一节钠电产业化在即，硬碳负极成为行业发展关键 45一、钠离子电池：核心资源可控，2023年为其产业化元年 45二、正负极材料决定钠离子电池关键性能，成本占比较高 46三、钠电负极目前以硬碳为主，行业壁垒相对更高 48四、钛基负极材料成本较低，但比容量、倍率性能较差 51五、有机负极材料成本较低，合金负极材料比容量较高 52六、钠电负极不同材料对应不同的储钠方式 53第二节硬碳负极产业：生物质+树脂前驱体应用较多，生产工艺壁垒较高 55一、前驱体决定无定形碳的性质 55二、硬碳前驱体以生物质+树脂为主，一步碳化法工艺应用最广 56三、改性工艺提升碳基负极材料性能加快产业化应用 57四、硬/软碳制备工艺不同，生产壁垒较高 58五、资本助力产业链创新，生物质将最先产业化 59第四章中国硬碳材料行业技术与上游原材料分析 61第一节钠电产业链初步成型，负极材料换新，硬碳为当下主流 61一、碳基类负极材料最具商业化应用潜力 61二、钠离子电池下游客户需求明确 62三、钠电高能量密度应用领域决定硬碳成为主流 63第二节八仙过海各显神通，生物质前驱体更胜一筹 64一、前驱体与硬碳微观结构相关性高，关系硬碳材料性能 64二、生物质基硬碳路线具备综合性价比，产业化进程居前 68第三节性能、综合成本及量产可行性决定生物质前驱体选择 73一、椰壳、淀粉、竹子、秸秆路线产品性能、成本不存在显著差异 73二、原材料供应稳定及一致性构成生物质基硬碳量产瓶颈 75（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 75（2）淀粉：工业品，纯度较高，能够保障产品一致性 78（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 80（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 86三、原材料供应渠道或构成生物质基硬碳行业壁垒 88第五章中国硬碳材料行业下游：钠离子电池市场分析 91第一节发展钠电的意义：缓解锂资源稀缺的困境 91第二节钠电应用场景：多重优势带来广阔空间 94一、钠离子电池在性能上具有多重优势 94（1）高低温环境下均有优异的容量保持率 95（2）具有出众的倍率性能 96（3）极端条件下不易出现热失控，安全性能好 98二、高性价比贴合多个应用场景，市场空间广阔 100（1）A00级电动车：可解决当下铁锂价格随原料成本波动较大的痛点 102（2）铅酸大市场：钠电性能全方位超越，铅酸市场替代可期 105（3）储能：高安全性、优秀的高低温性能以及长循环寿命与储能适配性高 111三、无惧碳酸锂价格调整，钠电产业链布局成型 113第三节材料体系选择：与锂电体系求同存异 115一、钠锂性质相似使得电池原理相似 115二、物理化学性质的内在差异影响表观性能 117（1）正极：三大主流路线各有特色，层状氧化物为产业化主流 119（2）负极：硬碳脱颖而出，瓶颈在于前驱体 121（3）集流体：正负极均可用铝箔，成本优势明显 126（4）隔膜：可复用锂电隔膜，仍需研制与电池体系匹配的专用隔膜 126（5）电解液：与锂离子电池有相通之处 127三、总结 128第四节产业链重点企业梳理 129一、宁德时代（300750.SZ） 129二、比亚迪（002594.SZ） 130三、传艺科技（002866.SZ） 130四、维科技术（600152.SH） 131五、鹏辉能源（300438.SZ） 131六、多氟多（002407.SZ） 132七、中科海钠 132八、美联新材（300586.SZ） 133九、容百科技（688005.SH） 134十、贝特瑞（835185.BJ） 134十一、杉杉股份（600884.SH） 135十二、元力股份（002866.SZ） 136十三、圣泉集团（605589.SH） 136十四、德创环保（603177.SH） 137第六章2023-2030年中国硬碳材料行业前景趋势预测 138第一节硬碳材料前景趋势：下游钠电池产业 138一、多重优势叠加高性价比，钠电池产业化积极推进 138（1）钠电池量产在即，电芯材料成本有望下降 138（2）钠电池可补全锂电池使用场景，具备更优的倍率性能、高低温性能和安全性 142（3）材料企业布局进展迅速，钠电池装车获工信部核准 143二、多种应用场景逐步落地推进，钠电池将迎爆发元年 147（1）两轮电动车 147（2）新能源车 148（3）电化学储能 150第二节硬碳材料行业市场需求趋势 151一、行业发展趋势 151二、市场增长预测 152三、需求趋势预测 153四、需求结构预测 154第三节硬碳材料需求特点及趋势 155一、硬碳负极材料发展前景广阔 155二、技术创新推动发展 156三、高性能和低成本趋势 157四、能也将得到进一步提升 157五、环保和可持续发展成为重要方向 157六、产业链整合与升级 158七、国际竞争加剧 158第四节硬碳材料市场需求机会挖掘 158一、新能源汽车及储能市场 159二、消费电子市场 159三、新兴应用领域 159四、技术创新带来的市场机会 160五、国际市场机会 160第五节下一代锂离子电池硬碳负极总结与展望 160一、碳材料在锂离子电池诞生和发展过程中的大事记 161二、硬碳的形成及其微观结构 162三、硬碳的结构模型 163四、硬碳中锂离子的存储机制 164五、硬碳的分类和优化策略 165六、总结与展望 165第一章2022-2023年我国硬碳材料行业市场深度调研第一节硬碳材料行业市场基本情况硬碳是经高温处理后不会石墨化的碳，其内部晶体排列无序、层间距大，这使得硬碳负极在同等体积下可以储存更多的电荷，提高了钠离子电池的能量密度和续航能力。在放电过程中硬碳负极的膨胀收缩更加均匀，增加了其循环稳定性、充放电性能，并延长了钠离子电池的循环使用寿命。随着太阳能、风能等可再生能源发电量的迅速扩大，对储能电池新材料的研究也在不断深入。在第十五届深圳中国国际电池技术展览会上，有企业发布了新一代钠离子电池硬碳负极材料，其首次充放电效率可以达到90%。我国钠资源丰富，钠离子电池被认为是最适合规模储能的新型电池，并有望缓解因锂资源短缺以及分布不均所引发的储能发展受限等问题。与其他钠离子电池负极材料相比，硬碳材料有何优势？我国硬碳材料产业发展现状如何？距离大规模应用，还有多远的路要走？一、硬碳材料行业市场现状分析硬碳是指难以被石墨化的碳，是一种通过热解高分子聚合物、石油化工产品、生物质等得到的热解碳。由于前驱体中存在大量H、O、N等杂原子，阻碍了热处理过程中结晶区域的形成，导致其在2500℃以上的高温下也很难被石墨化。根据热解碳化温度的不同，硬碳材料可分为1000-1400℃之间的高温热解碳和500-1000℃的低温热解碳；根据碳源的不同，硬碳材料可分为树脂碳（如酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇树脂等）、有机聚合物碳（如PVA、PVC、PVDF、PAN等）、炭黑（CVD法制备的乙炔黑等）、生物质碳（如植物残渣和外壳等）等。图表SEQ图表\*ARABIC2硬碳材料的分类资料来源：公开资料整理与软碳相比，硬碳具有更多的无序结构、更高的缺陷浓度、更高的杂原子含量和更大的石墨层之间的距离，以及更封闭的孔隙结构。这有利于为Na+离子提供更多的储存点和扩散途径。但硬碳的经济性相较于软碳略差。其中钠离子电池中，硬碳以其优势为当前应用的主流。此外，低成本、可持续性和制备更简单的特性也为硬碳材料实现商业化提供更多的可能性。资料来源：公开资料整理二、硬碳材料行业市场特点分析硬碳是钠离子电池负极材料的首选钠离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜等组成，其工作原理与锂离子电池相似。钠离子电池负极材料作为电池储钠的主体，在充放电过程中，实现钠离子的嵌入或脱出，因此电池的容量与负极储存钠离子的能力呈正相关，负极材料的选择对钠离子电池的发展具有决定性作用。中南大学教授周向阳说，从钠离子电池负极材料分类来看，大致可分为五类。一是碳基负极材料，主要包括石墨类、无定形碳、纳米碳等，其中无定形碳最有可能率先实现产业化；二是合金类负极材料，理论容量高，但电子嵌钠后体积膨胀严重，循环性能差；三是金属氧化物及硫化物基负极材料，理论容量高，但导电性差；四是嵌入型的钛基负极材料，体积变化小但容量低；五是有机类负极材料，成本低，但导电性差且易溶解于电解液。碳基负极材料具有出色的导电性，同时制备方法灵活、成本低廉、环境友好，成为钠离子电池负极材料的首要选择。其中，无定形碳中的硬碳、软碳材料被认为是具有潜力的钠离子电池负极材料。软碳是指经高温处理后可以石墨化的碳，通常以低成本的无烟煤作为前驱体加工制造获得，但其储钠比容量低、充电速度较慢、低温性能较差。硬碳是经高温处理后不会石墨化的碳，其内部晶体排列无序、层间距大，这使得硬碳负极在同等体积下可以储存更多的电荷，提高了电池的能量密度和续航能力。由于硬碳的孔隙结构更大，可以容纳更多钠离子，因此在放电过程中电极的膨胀收缩更加均匀，增加了硬碳负极的循环稳定性、充放电性能，并延长了钠离子电池的循环使用寿命。周向阳说，通过对比不同种类的碳负极材料性能可以发现，硬碳是目前钠离子电池商品化应用时，负极材料的首选解决方案，有望率先实现产业化。生物质成为制备硬碳材料的主流“硬碳前驱体原材料来源丰富，前驱体选择和工艺技术积累是硬碳负极材料开发的关键因素。”周向阳说。制备硬碳材料的前驱体常见的有生物质、合成聚合物和化石燃料等，不同前驱体制备的硬碳材料具有显著的性能差异，由于前驱体原料来源不同，硬碳材料成本构成也有显著差别。其中，生物质的原材料来源广泛，如椰壳、果壳、柚子皮、动植物组织等，成本相对较低，成为当前制备硬碳材料的首选。合成聚合物主要包括酚醛树脂、聚丙烯腈等化学合成材料，其电化学性能好、原料可控、产品一致性好，但成本较高。化石燃料主要包括沥青、煤焦油及相关混合物，原料来源广泛成本低，但产品容量较低，由于沥青等含有的挥发性物质较多，在生产过程中需要进行额外的废气、废水处理，因此增加了生产成本。目前，硬碳制备工艺多路并行，不断有硬碳负极材料被开发出来。例如中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员领衔的团队，通过化学反应把淀粉制备成硬碳负极材料，其成果发表在学术期刊《能源存储材料》上。如何把淀粉制备成硬碳？其流程大致可分为三个步骤：首先利用玉米淀粉和马来酸酐制备成富含氧元素的酯化淀粉；然后在反应炉中输入氢气与氩气的混合气体，其与酯化淀粉进行氢气还原反应，反应产物淀粉用作最终产物的前驱体；最后用氩气作为保护气，对淀粉前驱体在1100℃下进行高温碳化反应，完成硬碳材料的制备。陈成猛团队还通过改变管式炉中的反应温度，调节反应产物前驱体中氧元素含量，实现了对硬碳微观结构的调控，证实了氧元素含量对硬碳负极材料电化学性能的影响等。陈成猛强调，尽管团队的研究为后续进行高性能硬碳材料的开发奠定了基础，但仍然需要深入探索该材料的微观结构与电化学性质等。此外，复旦大学夏永姚教授等将果壳类生物质材料依次浸入盐酸醇溶液、硫酸溶液中并搅拌，得到悬浮液；再将悬浮液在水中分散、过滤干燥得到前驱体。他们将前驱体在惰性气体保护下升温进行预碳化处理，冷却后球磨，得到预碳粉；又将预碳粉在惰性气体保护下升温进行高温碳化处理、冷却，得到高效的钠离子电池用生物质硬碳负极材料。硬碳负极材料行业市场规模将持续增长钠离子电池已成为当前国内外研究和产业化的热点。国家发改委、国家能源局等九部门印发的《“十四五”可再生能源发展规划》提出，研发储备钠离子电池、液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池等高能量密度储能技术。周向阳说，目前，研究者对硬碳储钠机制提出了多种模型，但对其储钠机制尚未达成统一认识。因此，还需要进一步研究来揭示硬碳材料与电化学反应机制的构效关系，为提升硬碳性能提供理论指导与科学依据。此外，如粒径、振实密度、质量负载等硬碳材料的物理参数，对电化学性能的影响也有待进一步探讨，以协同提升材料应用于钠离子电池体系时的性能。三、硬碳材料行业市场规模分析1、负极材料目前我国负极材料以石墨为主，硬碳由于生产成本较高且开发技术不足等原因，在负极市场中占比非常小。未来，随着产业技术水平的不断提升，硬碳负极材料的占比有望持续提升。据资料显示，2022年我国负极材料出货量为137万吨，同比增长90.3%。资料来源：GGII，华经产业研究院整理2、需求量从需求量方面来看，根据EVTank数据，在100%渗透的情况下，理论上钠离子电池在2025年的市场空间可达到290.1GWh。假设2023-2025年钠电池替代比例分别为3%、12%、24%，按照每GWh消耗1100吨硬碳测算，到2025年预计硬碳负极材料的需求将达到7.66万吨左右。资料来源：公开资料整理四、硬碳材料行业市场结构分析硬碳负极材料上游为原材料环节，主要包括树脂基、生物质基、沥青、有机聚合物等；中游为硬碳负极材料生产供应环节；下游主要应用于动力电池生产，最终应用于新能源汽车、3C电子、储能等领域。图表SEQ图表\*ARABIC3硬碳负极材料行业产业链示意图资料来源：公开资料整理虽然硬碳的生物质前驱体生产工艺难度小，但难点在于合适前驱体的筛选和稳定批量供应。在钠电产业链还不成熟的行业初期阶段，生物质硬碳由于其性能优异，产业化速度较快。但当行业进入成长放量阶段，难以保障原材料供应链的稳定性、低成本和一致性成为掣肘的难题。而沥青基/树脂基等硬碳目前生产工艺难度较大，性能也较生物质基硬碳差，但其原材料供应比较稳定，随着前驱体研发技术突破以及其他材料修饰技术的应用，供应来源广泛、成本低廉的其他前驱体材料，例如生物质多糖、树脂基、沥青基以及无烟煤等材料有望后来居上。资料来源：公开资料整理第二节2022-2023年我国硬碳材料行业市场深度调研一、硬碳材料行业市场需求状况随着电动汽车市场的不断扩大，对硬碳负极材料的需求不断增加，同时也对其性能和成本提出了更高的要求。为了满足市场需求，硬碳负极材料生产企业将更加注重研发高性能、低成本的硬碳负极材料，例如采用新型碳源和合成方法，提高材料的电化学性能和降低生产成本。随着钠电池渗透率的提升，硬碳负极材料的需求量也在逐渐增长。由于钠电池具有成本低、安全性高等优势，因此在储能、电动车等领域的应用前景广阔。而硬碳负极材料作为钠电池的关键组件之一，其性能和成本直接影响了钠电池的优劣。因此，在钠电池需求增长的背景下，硬碳负极材料行业也将迎来更大的发展空间。同时，随着技术进步和产业升级，硬碳负极材料的性能也将得到进一步提升。二、硬碳负极是钠电迈入产业化的关键一环硬碳为钠电负极主流，前驱体选择影响负极性能。由于钠离子半径大于锂离子，无法在石墨层间嵌入/脱嵌，因此钠电池负极无法沿用石墨负极。目前钠电池可以使用的负极材料主要有：碳质材料、合金化反应材料和金属氧化物/硫化物等。碳质材料包括硬碳、软碳等无定形碳，目前主流厂家都在无定形碳的技术路径上有所布局，其中又以硬碳负极为主，软碳负极为辅。硬碳具备储钠能力好、容量高等优点，是钠离子电池负极材料的重点发展方向。图表SEQ图表\*ARABIC4钠电池负极材料种类资料来源：DT新材料，国盛证券研究所硬碳负极性能受前驱体用料影响，生物质基为硬碳材料的理想前驱体。硬碳是由各种前驱体在高温下碳化制备而成的，因此硬碳的电化学性能不仅与制备工艺有关，还很大程度上取决于所用前驱体的性质。硬碳根据前驱体来源不同，主要可以分为三类：树脂基、沥青基、生物质基。其中，生物质基具有盈利能力较突出、供应量大且有成熟供应链，以及综合指标较优等优点，是目前硬碳材料的理想前驱体。图表SEQ图表\*ARABIC5硬碳前驱体常见类型资料来源：浩钠新能源公众号，《钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展》，粉体网，人民网，国盛证券研究所整理各类前驱体性能存在明显差别，生物质材料综合性能更优。由于各类前驱体性能有所差异，所以对应硬碳的比容量、首周库仑效率等电化学性能也会存在差异。以生物质基作为前驱体的硬碳材料，具有工艺成熟、性能优越、一致性尚可等特点，前驱体方面可以选用椰子壳、果壳、竹子等含碳生物质。硬碳制造工艺的核心是原材料筛选。硬碳生产工艺主要包括原料选取、各类前处理、纯度控制、碳化、表面改性等过程。而硬碳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，碳化过程中受热均匀，才能保障最终硬碳产品的一致性。其中，原材料筛选的技术门槛较高，由于前驱体材料的可选范围大，而不同产地和批次的生物质往往不具有一致性，所以大部分企业会从原材料选择开始控制一致性，从而降低后期处理的成本（后期处理由于不清楚灰分中的杂质类别，可能无法解决并控制其纯度问题）。高纯度硬碳是提高钠离子电池性能的关键。生物质通常是从自然界中直接获得的，其中包含各种杂质、油脂、矿物质等，而纯化一方面可以去除这些杂质，提高生物质的纯度，并确保不同批次的生物质材料具有一致性。另一方面，纯化也可以去除某些不利于材料性能的成分，如水分、灰分等，从而改善材料性能。纯度控制的具体方法取决于生物质的类型和要求的纯度级别。通常可以采用洗涤、机械处理、化学处理、热处理、过滤/离心、表面改性等。多家上市公司积极布局生物质基硬碳负极产能。目前，佰思格、贝特瑞拥有硬碳负极产能，正全力推进生物质基硬碳国产化；杉杉股份、多氟多等锂电产业链头部企业则各自布局生物质基、树脂基硬碳负极路线；新进入企业如元力股份、圣泉集团亦布局生物质基硬碳材料。图表SEQ图表\*ARABIC6主要企业硬碳负极产能规划情况资料来源：各公司公告，各公司公众号，元力股份环评报告，国家知识产权局，邵武组工公众号，粉体网，起点钠电，Mysteel，国盛证券研究所整理三、2023年市场供求及其变动状况据不完全统计，截至目前已有超70家上市公司在钠电领域展开布局。起点钠电关注到，近期又一家上市公司在钠电领域加码。2023年9月19日，浦士达发布公告称，根据公司战略发展需要，为拓展更多业务，增强公司的竞争力，公司拟与深圳果曼新能源、深圳新湘宇电子共同设立新公司“果曼钠电”，三方分别持股30%、55%和15%。抢夺千亿钠电市场资料显示，江苏浦士达环保科技股份有限公司成立于2011年，于2016年4月14日在新三板挂牌上市，2020年转入创新层，股票代码836440。主营业务为净水用椰壳活性炭及其相关产品的研发、生产及销售，公司设有多个活性炭生产制造工厂，分布在陕西、宁夏、江苏、印尼等地。公司拥有近百项余项专利，其中发明专利授权34件，实用新型专利60余件。2020-2022年，公司营业收入分别达到1.5亿元、1.44亿元和2.2亿元，归母净利润分别为1162万元、264.5万元和1726万元。2023年上半年实现营收1.06亿元，同比增长18.06%。为打造公司第二增长极，浦士达开始在新能源材料领域布局，业务涵盖硅碳前驱体、硬碳、硬碳前驱体、超级电容炭，主要客户包括宁德时代、中科海钠、杉杉科技、贝特瑞、比亚迪、邦普循环、中创新航、天合光能等。在钠电领域，早在2021年，浦士达就与上海工程大学赵佳昌团队签约技术合作项目，进行钠电硬碳技术储备。此次投资成立果曼钠电，是其在钠电领域布局的再次加码。与锂电池相比，钠电池在量产成本、安全性、低温性能和倍率性能等方面有明显优势，有望向上对标磷酸铁锂、锰酸锂电池，实现部分替代；与铅酸电池相比，钠电池具有能量密度更高、循环水平更优、工作电压更大等优势，未来有望在两轮车等领域实现铅酸替代。从资源角度来看，锂离子的地壳丰度为0.0065%，锂资源相对较少且分布不均，75%分布在南美洲地区；而钠资源的地壳丰度达2.75%，在地壳中的丰度位居第6位，且钠资源分布于全球各地。中国发展钠电池产业，可以解决钠资源“卡脖子”的难题，降低供应风险。钠电产业将是全球新能源技术争夺高地，据起点研究院（SPIR）院预测，2025年/2030年钠电池市场规模分别达到91GWh和1132GWh，对应钠电负极材料需求达到11万吨/137.9万吨，产业保持高速增长。另外，硅碳被行业视为最具潜力的下一代锂电负极材料，预计2029年份额将达34%。浦士达也重点布局了硅碳前驱体材料，目前陕西基地2000吨产能在建，2024年还将启动5000吨产能建设。浦士达有机前驱体以及椰壳前驱体比表面积可达1700m2/g，具有微孔占比高、原料成本便宜等优点，具体性能指标如下：四、硬碳材料行业市场痛点分析（1）合适前驱体的筛选和稳定批量供应目前可用于硬碳的生物质基材料多达几十种，椰壳基硬碳孔隙结构发达，灰分含量低，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。但椰壳主要供给来自南亚、东南亚，国内椰壳年生产潜力最多满足约6GWh电池的使用量。浦士达正是以东南亚椰壳基为主的生物质原料，通过孔容孔径调控制备工艺制备硬碳负极材料。目前其在印度尼西亚巴淡岛和菲律宾拥有两个原料工厂，稳定椰壳炭化料2万吨/年，可保障原材料供应链的稳定性、低成本和一致性。同时，浦士达还储备了其他技术路线，在实验室完成竹质、煤质等硬碳材料小试。（2）国内产能较低、进口价格昂贵目前可乐丽已实现椰壳基硬碳负极批量供应，产品性能领先，但进口价格昂贵，超过15万元/吨。而国内材料价格仅三分之一左右，但国内大部分企业还处于中试或客户送样阶段，仅有少数几家企业实现量产供货，且产能相对受限。目前浦士达椰壳硬碳已完成低、中、高容量中试，年产能达到1000吨，另外陕西基地还有2000吨硬碳在建设中，印尼1万吨硬碳前驱体规划中；2024年浦士达还将启动二期建设，总投资4亿元，建设1万吨硬碳材料及2万吨硬碳前驱体材料。另外，浦士达江苏基地现有纯化能力6000吨/年；陕西拥有纯化能力4000吨/年，破解产能不足瓶颈。（3）国产材料在性能方面难以与进口材料匹敌。从产品性能来看，国产材料还存在容量及首效偏低、材料一致性差、膨胀等问题，技术瓶颈还需突破。浦士达现有椰壳基硬碳比容量超320mAh/g，首效大于88%，产品性能可比肩日本可乐丽。经过第三方检测，公司硬碳产品具有高容量、长循环、高安全性能等优势，技术领先。来源：起点钠电五、破解钠电生物质硬碳量产瓶颈目前钠电池负极材料的研究主要集中在碳基（无定形碳）材料、合金类材料、金属氧化物等，其中合金类材料体积膨胀严重、材料粉化，循环性能差，成本较高；金属氧化物材料电子导电性较差、体积效应严重、循环稳定性差，总的来看，非碳类材料预计在较长时间内都难以实现产业化。碳基材料中，石墨由于储钠困难，无法用作钠电负极；软碳是经高温处理后可以石墨化的碳，但是由于具有石墨化结构，所以储钠量较低；硬碳是在2800℃以上高温处理后不能石墨化的碳，具有容量高、支持快充过放、安全性强等优势，理论容量可达530mAh/g。软碳虽然可以通过造孔工艺增大容量，但是会增加成本，反而不如硬碳经济，因此，硬碳成为钠电负极材料的首选。据测算，硬碳负极占钠电池成本在25%左右，目前进口产品价格超15万元/吨，而国内产能相对有限。成本是行业放量的核心阻碍，钠电池负极材料技术突破、规模化生产及材料成本降低成为钠电产业发展的关键。硬碳材料的前驱体来源广泛，主要包括生物质基、化石燃料基、树脂基等，其中生物质硬碳由于其性能优异，前驱体生产工艺难度小等因素，产业化速度较快，成为目前企业主要选择的钠电负极技术路线。第二章2022-2023年我国硬碳材料行业市场竞争格局分析第一节行业市场竞争格局分析一、硬碳材料行业竞争格局分析硬碳材料最早布局企业主要为日本企业，其中代表企业为可乐丽和吴羽化学；而中国厂商中贝特瑞和杉杉股份较早在硬碳相关技术布局。目前日本可乐丽硬碳价格为20万元/吨由于钠离子电池实现量产的降本需求，需推进硬碳材料的国产化。传统锂电负极厂商纷纷布局硬碳材料，多数产品未达到量产，仅处于试验阶段，杉杉股份、贝特瑞、翔丰华均有硬碳材料的技术布局，其中贝特瑞和杉杉股份硬碳产品布局相对较快。二、硬碳材料行业竞争特征分析硬碳主要通过水热或化学过程处理有机化合物或生物质基前驱体获得。根据前驱体来源不同可以分为树脂基（酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇等）、沥青基（煤焦油沥青、石油沥青、天然沥青等）和生物质基（纤维素、木质素、淀粉等）硬碳。树脂基硬碳的成本是最高的，但同样表现出最佳的电化学性能。其优势还在于可以精确、可控地构建可调节的孔结构、表面化学成分和分子水平上的活性位点。沥青基硬碳的材料来源非常广泛，且价格低廉，煤系沥青和油系沥青均可使用。然而，由于原始沥青具有石墨化的性质，直接碳化很容易形成类石墨结构。因此，在形成硬碳前需要进行预氧化处理。此外，沥青里的挥发分较多，需要额外的尾气处理，增加成本支出，且目前工艺尚不成熟，产品的容量较低。生物质基硬碳负极路线原材料来源多样，如核桃壳、果壳、柚子皮、动植物组织等。该路线产出的硬碳性能适中，加上物料来源广泛，成本相对合适，是目前大多数硬碳负极企业的选择。代表企业可乐丽、佰思格、元力股份、圣泉集团、传艺科技等。值得一提的是，国内传统锂电负极企业贝特瑞、杉杉股份、中科星城和翔丰华等厂家的硬碳负极工艺囊括上述三种类型的前驱体，实现体系化的专利布局。第二节已经实现和将实现硬碳出货的企业一、已经实现硬碳出货的企业负极材料作为钠电池的关键材料之一，必须保证其具备较高一致性。而硬碳材料的结构一致性主要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，碳化过程中受热均匀才能得到一致性高的硬碳材料。不过，硬碳产业化存在无法找到廉价、适合大规模量产的前驱体原材料的瓶颈；此外，硬碳合成工艺路线较长，构效关系复杂，具备较高的Know-How壁垒，这极大的增加了制造成本。目前，国外高端产品价格15-20万元/吨，国产价格5-10万元/吨，迫切需要开发低成本的硬碳材料。而以上原因也导致目前能够稳定出货硬碳负极材料的企业比较少。（1）可乐丽日本企业，硬碳材料采用椰子壳作为前驱体，经过碳化、破碎、碱渍、热处理纯化和CVD处理，其中CVD处理工艺难度较高。产品能量密度350mAh/g，首次充放电效率95%以上，循环3000次，产品平均价格达到20万元/吨，产能2000吨/年左右。（2）佰思格佰思格是国内首家量产钠电/锂电硬碳材料的公司，对标日本可乐丽。佰思格采用葡萄糖、淀粉、纤维素、木质素、木屑、竹屑、椰子壳或坚果壳等生物质材料作为原料，通过改性处理、裂解缩聚、炭化和表面改性等步骤，可以得到满足快充性能的钠离子硬碳材料，该公司产品工艺较国外企业更加简单，成本更加低廉。目前公司官网共有两款钠电硬碳材料：YHC-1和NHC-330，YHC-1强调低成本，比容量≥280mAh/g，价格在6万元/吨；NHC-330强调高能量密度，比容量≥330mAh/g，价格在8万元/吨。公司计划今年或者明年推出NHC360，比容量可以达到360-380mAh/g。产能方面，公司现有产能2000吨/年；23年计划扩产至1万吨/年；2025年计划扩产至5万吨/年。（3）贝特瑞贝特瑞于2009年就开始布局硬碳材料相关技术。公司现有硬碳负极材料产能400吨/年，计划2023年产能达到千吨级。今年5月16日，贝特瑞还发布了新一代硬碳负极材料--“探钠350”，该材料比容量可达350mAh/g，首次充放电效率达90%，目前处于中试阶段。贝特瑞发布探钠-350（来源：贝特瑞）（4）杉杉股份杉杉股份硬碳材料研发始于2016年，2022年国内客户已经实现吨级销售，2023年产能规划达千吨级。二、2023年有望实现硬碳出货的企业（1）多氟多焦作基地已经建成了年产300吨的负极产线，目前处在产线调试中，规划2000吨负极产线2023年投产。（2）元力股份元力股份为国内木质活性炭龙头企业，在硬碳材料制备过程中的前驱体预处理、碳化及纯化较难环节优势明显。目前公司硬碳材料以椰子壳类为生物质基材料，未来或将以毛竹为主，2023年公司规划中试线千吨级别，预计年中建成，全年有效出货1000-2000吨。公司远期规划硬碳产能5万吨。公司选用毛竹补充硬碳原材料路径，区位优势或可化为发展优势设立全资子公司，积极布局硬碳材料。2022年12月，公司公告拟出资5亿元设立全资子公司元力新能源碳材料（南平）有限公司，布局新能源碳材料领域。元力新能源主营储能用碳材料的研发、生产及销售，布局产品包括超级电容活性炭、硬碳以及硅碳负极等。此次设立全资子公司，旨在利用公司在碳材料相关领域长期积累的技术工艺、生产模式等多方优势，加快形成在新能源碳材料领域应用的优势地位，同时优化产品结构，为公司持续提升盈利能力提供新的动力。公司生物质碳材料的积淀比锂电产业链企业更强。由于硬碳和石墨的生产工艺差异较大，因此需要加入碳化、原子掺杂、碳材料复合等方法提升负极性能。而颗粒活性炭、超级电容炭生产工艺和硬碳前段工艺相通，活性炭制备工艺通常包含原材料处理、活化、碳化等工序，尤其与生物质基硬碳制备工序高度重合，只是在碳化后的精制和后端处理、造孔等方面略有差异。公司作为深耕活性炭领域20余年的国内龙头企业，深厚的技术储备是其核心竞争力之一。图表SEQ图表\*ARABIC7元力股份公司超级电容炭制造工艺图资料来源：国家知识产权局，国盛证券研究所图表SEQ图表\*ARABIC8元力股份公司物理法颗粒活性炭制造工艺图资料来源：国家知识产权局，国盛证券研究所椰壳供应主要依赖进口。椰子壳是生物质材料中是最早被产业化的硬碳前驱体之一，这类材料在自然界中广泛存在，且杂质较少，自身强度比较高，可以为硬碳产品带来稳定的结构。但其缺陷在于产能主要位于海外，且较为分散，重要产地有东南亚、美国西海岸、拉美南岸、非洲西海岸以及印度。我国椰子生产地主要有海南、台湾等地区，其中海南省栽种面积国内占比约99%，但可满足要求的原料供应较少，目前主要依赖进口。图表SEQ图表\*ARABIC92015-2021全球椰子产量情况（万吨）资料来源：FAO，华经产业研究院，国盛证券研究所图表SEQ图表\*ARABIC102021年全球前十大椰子生产国（万吨）资料来源：FAO，国盛证券研究所钠电池商业化进程加速，椰壳或遇供应瓶颈。根据《Exploringthepotentialofcoconutshellbiomassforcharcoalproduction》数据，椰子壳的固定碳含量普遍在20%左右，这意味着椰子壳与产出硬碳的质量比约为5:1。2021年全球椰子产量为6117.6万吨，而椰子壳重量约占椰子重量的13%，即全球约可生产795.3万吨椰子壳。其中，近三分之一使用在传统活性炭中，我们认为最终可做成硬碳的比例相对较小。如果全球椰壳总产量到硬碳的转化比例按照10%计算（需考虑品控问题），预计最终生产硬碳约几十万吨。随着钠离子电池应用起量迅速，未来必然需要新的技术路径予以补充。公司选用毛竹补充原材料路径，区位优势可化为发展优势。公司目前生物质硬碳除了使用椰子壳外，原材料端还补充布局了毛竹。据公司董事长介绍，目前公司使用毛竹生产的硬碳，性能完全满足钠离子负极材料需求，且产品优势众多。公司位于福建南平，福建省竹材产量占总产量的近30%，居全国第一，而南平市全市现有毛竹林653万亩，占全省40%、全国10%，立竹量、竹材产量均居全省之首，可以满足原材料的大量且新鲜、稳定供应，能够有效缓解硬碳前驱体原材料的一致性问题，同时公司凭借区位优势有望降低成本。图表SEQ图表\*ARABIC11中国主要竹材生产地的竹材产量资料来源：华经产业研究院，国盛证券研究所图表SEQ图表\*ARABIC12福建省竹材产值和产量走势资料来源：华经产业研究院，国盛证券研究所硬碳前驱体原材料布局逐步扩大。2021年12月，公司公告拟投资2.1亿元，与益海嘉里金龙鱼合资设立元力益海嘉里（上海）循环技术有限公司，目前已实现了在新型原料稻壳方面的战略布局，未来有望拓展应用至新能源碳材料领域。乘新能源东风加码硬碳产能。公司依托深厚的硬碳研发技术储备及规模化生产能力、资源整合能力，于今年新增了“年产5万吨新能源硬碳生产项目“，其中一期规划年产1500吨（中试生产），二期计划全厂达到年产1万吨，三期达到2万吨/年，四期达到3万吨/年，五期全厂达产，实现年产5万吨生物质硬碳。目前公司生物质硬碳处于中试阶段，正在进行扩产的前期准备工作，预计第一条生产线今年内投产。图表SEQ图表\*ARABIC13元力股份公司生物质基硬碳制造工艺图资料来源：公司环评报告，国盛证券研究所图表SEQ图表\*ARABIC14元力股份公司硬碳负极材料质量标准资料来源：公司环评报告，国盛证券研究所（3）圣泉集团圣泉集团生物基硬碳负极材料作为“圣泉生物溶剂法”生物精炼一体化产业布局的最新成果，核心在于生物碳为自主生产，其可控性高、均一稳定，利用其制备的硬碳负极材料具有生物质和树脂的双重特性（这可能与圣泉集团主营业务为酚醛树脂和呋喃树脂等合成树脂及复合材料有关），因此极片压实密度高，不低于1.1克/立方米。另一特点在于产品性能稳定、一致性高，其第一代硬碳产品具有300mAh/g左右的克容量，首效≥88%。2022年12月16日，圣泉集团宣布，将投资24.80亿元建设年产10万吨生物基硬碳负极材料项目。公司计划在2023年H1建设1万吨产量的硬碳装置，价格预计6.5万元/吨，随着设计产能的达产，还有一定降幅空间。此外，圣泉第二代硬碳负极材料目前已经经过实验室测评，产品容量超过330mAh/g、首效超过90%，压实密度得到进一步提升，更具优势。（4）珈钠能源珈钠能源硬碳负极根据不同原料和制备工艺可分为三代产品：第一代低成本生物质硬碳负极材料，比容量为280mAh/g左右；经过除杂的第二代硬碳负极材料，比容量在330mAh/g左右；第三代高端定制硬碳负极材料，比容量可达400mAh/g左右。三种路线负极材料的产业化进程正在分步实施。公司在2022年完成公斤级硬碳产品连续生产，送样头部客户验证，11月份完成A轮融资，2023年3月完成百公斤级送样客户，5月同义ISO体系认证，6月完成千吨正负极产线投产。第三节行业市场竞争策略分析一、当前硬碳材料行业竞争策略分析硬碳材料行业的竞争策略可以从多个维度进行分析，以下是一些可能的策略：1.技术创新：硬碳材料行业是技术密集型行业，技术创新是提高竞争力的关键。企业可以通过研发新的制备技术、优化现有工艺流程、提升产品性能等方式，保持技术领先地位。2.质量管理：优质的产品是赢得市场的基础。企业应建立完善的质量管理体系，确保产品质量稳定可靠，并通过持续改进和优化，提升客户满意度。3.成本控制：在保障产品质量的前提下，降低生产成本是提高竞争力的有效手段。企业可以通过提高生产效率、优化供应链管理、降低原材料成本等方式，实现成本控制。4.品牌建设：品牌是企业形象和市场地位的体现。企业应加强品牌建设，提升品牌知名度和美誉度，通过优质的产品和服务赢得客户信任。5.市场拓展：市场拓展是扩大市场份额、提高销售量的重要途径。企业可以通过深入了解客户需求、开发新的应用领域、拓展销售渠道等方式，扩大市场份额。6.合作与联盟：面对激烈的市场竞争，企业可以通过与其他企业建立合作关系或联盟，共同研发新技术、开发新市场、应对市场风险，实现互利共赢。7.人才培养与引进：人才是企业发展的核心动力。企业应注重人才培养和引进，建立完善的人才激励机制，吸引和留住优秀人才，为企业发展提供强有力的人才保障。硬碳材料行业的竞争策略应综合考虑技术创新、质量管理、成本控制、品牌建设、市场拓展、合作与联盟以及人才培养与引进等多个方面，以提升企业整体竞争力。二、硬碳材料行业企业核心竞争力分析硬碳材料行业企业的核心竞争力主要体现在以下几个方面：1.技术研发能力：硬碳材料行业属于高新技术产业，技术研发能力是企业取得领先地位的关键因素。拥有强大的研发团队和先进的技术水平，能够不断推出创新产品，满足市场需求，从而在竞争中占据优势。2.产品质量：在硬碳材料行业，产品质量直接影响企业的市场声誉和客户满意度。企业应具备严格的质量管理体系和先进的检测设备，确保产品质量稳定可靠，以优质的产品赢得客户信任。3.成本控制能力：在激烈的市场竞争中，成本控制能力是企业实现盈利的关键因素。企业应通过提高生产效率、优化供应链管理等方式降低生产成本，从而在价格上获得竞争优势。4.品牌影响力：品牌是企业形象和市场地位的体现，品牌影响力强的企业更容易获得客户认可和市场份额。企业应注重品牌建设，提升品牌知名度和美誉度。5.市场营销能力：在硬碳材料行业，市场营销能力是企业扩大市场份额、提高销售量的重要手段。企业应深入了解客户需求，制定合适的市场营销策略，通过有效的推广和销售渠道拓展市场份额。6.客户服务能力：优质的客户服务能够提高客户满意度和忠诚度，从而为企业赢得更多市场份额。企业应建立完善的客户服务体系，提供及时、专业的售前、售中和售后服务，满足客户需求。7.合作与联盟能力：面对激烈的市场竞争，企业应具备合作与联盟的能力，与其他企业或机构建立合作关系，共同研发新技术、开发新市场、应对市场风险，实现互利共赢。硬碳材料行业企业的核心竞争力主要体现在技术研发能力、产品质量、成本控制能力、品牌影响力、市场营销能力、客户服务能力以及合作与联盟能力等方面。第四节中国硬碳材料行业竞争态势预测以下是对中国硬碳材料行业竞争态势的一些预测：1.政策推动将持续：中国政府一直致力于推动新材料产业的发展，硬碳材料作为新材料领域的重要组成部分，将持续受益于政策的扶持和推动。政府可能会继续出台相关政策，鼓励硬碳材料的技术创新、产业升级和扩大应用。2.市场需求将保持稳定增长：随着全球经济的复苏和新兴市场的崛起，硬碳材料的市场需求将保持稳定增长。特别是在新能源、环保、高端装备制造等领域，硬碳材料的应用前景广阔，市场需求将持续旺盛。3.技术进步将加速：随着科技的不断进步和创新，硬碳材料行业的技术水平将不断提高。新的制备技术、改性技术和应用技术将不断涌现，推动硬碳材料向更高性能、更低成本的方向发展。4.国际竞争将加剧：随着全球化进程的加快和中国市场的不断开放，国际硬碳材料企业将进一步加强在中国的布局和竞争。中国硬碳材料企业将面临更加激烈的国际竞争，需要不断提高自身竞争力，加强品牌建设和市场拓展。5.行业整合将加速：随着市场竞争的加剧和行业政策的推动，中国硬碳材料行业将加速整合。优势企业将通过兼并重组、产能扩张等方式提高市场份额和竞争力，而一些小型企业可能会面临生存压力。中国硬碳材料行业的竞争态势将呈现政策推动持续、市场需求稳定增长、技术进步加速、国际竞争加剧和行业整合加速等特点。企业需要密切关注市场动态和政策变化，加强技术创新和品牌建设，提高核心竞争力，以在激烈的市场竞争中立于不败之地。第三章钠电产业化在即，负极材料成为行业发展关键目前储能行业高景气需求激增，但是锂资源开发较慢、储量不足导致其价格上升，在未来锂资源供需紧平衡的情况下，钠电池产业化进程有望迎来加速发展。而钠离子电池的正负极材料决定其电池性能，其中负极材料国内企业布局较少，同时相对价格更高，例如国内无定形碳材料的成本约为8-20万元/吨，行业壁垒较高。第一节钠电产业化在即，硬碳负极成为行业发展关键一、钠离子电池：核心资源可控，2023年为其产业化元年全球锂资源短缺，钠离子电池应运而生。目前新能源转型策略是全世界的发展共识，新能源过去几年的高景气发展催生了较多的电池需求。目前电化学电池主要以锂电池为主，但是锂资源开发较慢、储量不足导致其价格上升，在未来锂资源供需紧平衡的情况下，钠电池产业化进程加速。钠在地壳中的储量丰富，约占2.36%，资源含量比锂高1000多倍，开采更加容易，核心资源更加可控。但是钠电池相比锂电池能量密度更低，循环次数较低，因此其主要应用于储能及电动两轮车领域。行业龙头积极推动钠电产业发展，2023年为钠电产业化元年。2021年宁德时代将钠离子电池视为其未来发展的重大战略，首代钠离子电池将选取普鲁士白材料作为重点，其电芯单体能量密度高达160Wh·kg-1，并宣布将于2023年形成钠离子电池产业链。同时多家企业例如中科海钠、浙江钠创等公司对钠离子电池发展也都极为重视，仅原材料上，中科海钠就能把电池成本降低约30%。根据传艺科技公告，其钠离子电池项一期产能拟于2022年年底前完成厂房及中试线的建设施工和产品中试，并于2023年初完成产能投产，整体看钠电的产业化进程较快。图表SEQ图表\*ARABIC15钠离子电池与其他电池性能对比资料来源：中国储能网，《钠离子电池锰酸钠正极材料研究进展与发展趋势》二、正负极材料决定钠离子电池关键性能，成本占比较高钠离子电池正负极材料决定其主要性能，价值量较高。钠离子电池主要由两种不同的钠嵌入型材料（正极材料、负极材料）、电解液、隔膜等关键部件组成。充电时，钠离子从正极材料中脱出，经过电解液，隔膜，最后嵌入到负极材料；与此同时，电子经外电路从负极流向正极。放电过程则与充电过程相反。可以看出钠离子电池的工作原理和锂离子电池基本类似，也是一类“摇椅式电池”。钠离子电池正、负极材料体系在电池产品中起决定性因素，电解液/隔膜主要与正、负极材料体系进行选择匹配使用，因此，正、负极材料体系也直接决定了电池最终的性能指标。根据《高功率高安全钠离子电池研究及失效分析》，以NaCR26650P圆柱钠离子电池为例，材料和制造成本各约占75%和24%，管理费用等约1%。而在原材料成本中：正极成本占其35%，负极成本约占10%，电解液和隔膜成本分别约占11%和7%，其他装配物料成本约占37%。制造成本中人工成本、设备折旧、能源消耗以及质量/环境成本又分别约占总成本的比例的8%、9%、5%、2%。整体看，钠离子电池正负极材料成本约占电芯成本一半左右，价值量较高，行业壁垒相对更高。图表SEQ图表\*ARABIC16钠离子电池结构图资料来源：《高功率高安全钠离子电池研究及失效分析》图表SEQ图表\*ARABIC17钠离子电池成本构成资料来源：《高功率高安全钠离子电池研究及失效分析》三、钠电负极目前以硬碳为主，行业壁垒相对更高从产业化进程看，钠离子电池负极材料国内布局较少，行业壁垒相对更高。目前钠离子电池的正极材料主要为层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物，层状氧化物工业化生产技术可以直接沿用锂离子电池的生产工艺，因此其产业化程度更高，传统锂电正极材料企业可以快速布局。而负极材料主要以碳基材料(软碳/硬碳等)、合金类材料、过渡金属化合物和有机化合物为主，由于硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多优势，所以其产业化进展较快。目前日本可乐丽为硬碳的主要生产厂商，国内公司如宁德时代、中科海钠、璞泰来、翔丰华等公司研发布局硬碳材料，但是产业化进程相比正极材料较慢。同时硬碳单位成本更高，目前国内无定形碳材料的成本约为8-20万元/吨，相对正极材料而言，其盈利能力相对更好。其余原材料(如隔膜、铝箔、极耳、粘结剂、导电剂、溶剂及外壳组件等)可直接借用锂离子电池业已成熟的商业化产品，相对行业壁垒较低。图表SEQ图表\*ARABIC18钠离子电池组成材料产业化进展钠离子电池负极材料应当尽量满足工作电压低、比容量高、结构稳定(体积形变小)、首周库仑效率高、压实密度高、电子和离子电导率高、空气稳定、成本低廉和安全无毒等特点。目前钠离子电池负极材料主要包括碳基、钛基、有机类和合金类负极材料等。目前常见的碳基材料包括石墨、石墨烯、硬碳、软碳等。由于钠离子的半径为0.102nm，远大于锂离子的半径(0.069nm)，致使钠离子在石墨层间的脱嵌过程极易破坏石墨的结构，因此石墨较难作为钠电负极的材料。无定形碳负极材料因资源丰富、结构多样、综合性能优异，被认为是最有应用前景的钠离子电池负极材料。硬碳也称为不可石墨化碳，因其高比容量和易合成而得到了广泛的关注，得益于硬碳较大的层间距离和晶格缺陷，其在钠离子电池中表现出较高的可逆容量，然而，用于生产硬碳的前驱体如生物质、树脂、有机聚合物等，通常表现出较低的碳收率和较差的倍率性能，不利于发挥钠离子电池的低成本优势。软碳由于其可在2800℃高温以上石墨化，也可称为石墨化碳，多由沥青、焦炭等制得。和硬碳相比，软碳的结晶度相对较高，缺陷较少，但是直接碳化的软碳材料在钠离子电池中表现出较低的可逆容量。图表SEQ图表\*ARABIC19钠离子电池负极材料优缺点对比硬碳相比软碳结构无序度和碳层间距相对更大，其微观结构的特点导致硬碳储钠能力相对更佳；通常温度、预氧化、掺杂等方式都可以改变无定形碳材料的微观结构。✓温度：随着热解温度的提升，含碳前驱体的热解过程可分为热解、炭化和石墨化三阶段。碳材料最终结构的形成是前驱体的种类和最高处理温度共同决定的。热解过程中（1000℃以下），软碳前驱体会发生由固相到液相的转变；硬碳前驱体分子结构发生重排，但依旧为固相。炭化（1000℃-2000℃）过程中，软碳前驱体在炭化过程中便已出现明显的石墨化趋势；硬碳前驱体的石墨烯层在相对较大的尺度上，其取向随机度是很大的，会导致大小和形态各异的孔洞产生；石墨化（2000℃以上）过程中，软碳前驱体石墨层继续长大，有序堆叠形成石墨结构，孔隙消失，真密度逐渐增大并趋于稳定（2-2.25g/cm3）；硬碳前驱体石墨微晶进一步长大，局域石墨化度提高，闭孔大量形成。✓预氧化：在空气/氧气中对样品进行低温加热处理，实现沥青基碳结构从有序到无序的转变，主要针对软碳使用。✓掺杂：为了优化调整钠离子电池碳负极材料的性能，杂原子掺杂碳（软碳、硬碳）被大量研究，掺杂元素主要包括氮、硼、硫、磷。对于碳材料，在低温下，杂原子掺杂能够改善其储钠性能，但在高温下，杂原子会逸出，减弱掺杂的效果。图表SEQ图表\*ARABIC20钠离子电池无定形碳材料对比四、钛基负极材料成本较低，但比容量、倍率性能较差钛是岩石形成的元素之一，广泛分布在地壳中。而钛的化合物，TiO2和Na2Ti3O7具有结构稳定、对环境无毒和价格低廉等优点，被认为是很有前途的储能材料。TiO2晶体是由共边的TiO6八面体构成，内部含有的开放通道既能增强离子的导电性，又能提供钠离子存储所需的间隙位置。钠离子嵌入TiO2空隙中的过程是基于Ti4+/Ti3+的氧化还原反应发生的，在放电时，Ti4+被还原成Ti3+，而钠离子则嵌入到含有之字形通道的TiO6八面体活性中心，与氧形成新的Na-O键，这个过程伴随由TiO2相转变为NaxTiO2相的发生。钛基材料具有层状的稳定结构，通常以插层的方式进行钠离子的存储，在充放电过程中具有高安全性。但其有限的插层容量和低的电导率降低了其比容量和倍率性能。为了提高钛基材料的电化学性能，目前研究主要围绕三个方面展开。第一个方面是将材料尺寸纳米化，尺寸的减小可以有效的缩短电子和离子的扩散路径并在插层过程中减缓体积膨胀。第二个方面是材料设计成多孔状，这可以扩大电极与电解液的接触面积。第三个方面是将锐钛矿型TiO2与导电物质复合，可以提高整个电极的导电性和结构稳定性。图表SEQ图表\*ARABIC21不同正极钛基负极材料性能对比五、有机负极材料成本较低，合金负极材料比容量较高有机负极材料成本低无污染，但是易溶于有机电解液，循环稳定性较差。与无机负极材料相比，有机负极材料的特点是成本低廉且结构多样，主要分为羰基化合物、席夫碱化合物、有机自由基化合物和有机硫化物四类。羰基化合物中的共轭羰基化合物来源丰富、结构多样和比容量高.其中，对苯二甲酸二钠(Na2C8H4O4)是钠离子电池有机负极材料。其在0.1C倍率和0.1~2V的压范围内表现出250mAh/g的可逆比容量和0.25V储钠电位。对醌类化合物也是一种具有电化学活性的有机羰基化合物，该材料在0.1C电流密度下的首周可逆比容量为265mAh/g，首周库仑效率为91.9%，平均储钠电位高于1V，有效避免了低电位下SEI膜的生成。然而，这种材料由于电子电导率较低和易溶于有机电解液中，致使循环稳定性较差，尚需优化改进。合金类钠电负极材料比容量高，但是循环性能较差，比容量易快速衰减。合金类材料由于其储钠比容量较高、反应电极电势相对低的特点受到了广泛的关注，然而其反应动力学较差，且脱嵌钠前后体积变化巨大，导致材料分化和集流体失去点接触，比容量快速衰减。目前可以与金属钠形成合金的负极材料有In、Si、Sn、Pb、P、As、Sb和Bi，研究较多的合金类负极材料主要有Sn、Sb和P。目前主要采用结构调控、元素掺杂和材料复合的方式改善体其积膨胀，维持结构的稳定性，提高导电性和循环寿命。六、钠电负极不同材料对应不同的储钠方式钠离子电池负极材料储钠机制：了解负极材料的储钠机制可以有助于新型电极材料的设计和开发，目前储钠机制主要分为三种：插层反应机制、合金化反应机制、转化反应机制。插层反应机制：插层反应机制是指在不影响材料的键距、晶相和晶面间距等晶体参数的情况下，将钠离子嵌入材料的层间距或者晶格之中形成稳定的层间化合物。通过插层机制储钠的材料通常具有层状结构，主要包括碳基材料和钛基材料，这可能是由于层与层之间有更多可供离子存储的位置，可以更容易地插入和提取钠离子。但由于材料的活性中心数量有限，通过插层反应机制进行储钠的材料通常具有相对较低的容量。合金化反应机制：在合金化过程中，电极材料会与钠结合形成二元合金，在到达最终相之前，中间相合金会发生相变，其相变的过程会受到材料的结构状态和钠化速度的影响。而最终的合金化产品决定了材料的理论容量和合金化反应体积。基于合金化机制的负极材料会由于发生多电子转移而拥有较高的理论容量，但是在每个合金化循环中，由于体积的巨大变化，新暴露的电极材料会加剧解液的连续还原，从而对整体库仑效率造成不利影响。转换反应机制：利用过渡金属的多种氧化态来提高充放电过程中电极材料的比容量。大多数过渡金属氧化物、硫化物、硒化物和磷化物是典型的基于转化反应的负极材料。然而，在转换过程中，电极材料的结构会由于化学键的形成或断裂而崩溃，使SEI膜和电极在循环时出现机械不稳定性，从而导致容量衰减。同时，钠的转化反应还存在电压滞后、反应动力学缓慢、电解液分解等问题，这些都是亟须解决的难题。第二节硬碳负极产业：生物质+树脂前驱体应用较多，生产工艺壁垒较高一、前驱体决定无定形碳的性质无定形碳通常由有机前驱体在500-1500℃温度下热解产生。热解后的最终产物是硬碳还是软碳，主要取决于前驱体的性质。热固性前驱体（富氧或是缺氢），例如聚偏二氯乙烯、木材、纤维素、羊毛、酚醛树脂、棉花、糖类或环氧树脂等，在热解过程中发生固相炭化，容易形成硬碳。热塑性前驱体（富氢或者缺氧），例如聚氯乙烯、聚苯胺、石油化工原料及其下游产品（煤碳、沥青和石油焦等），在热解过程中发生熔融炭化，有机高分子发生重排，容易形成软碳。✓软碳前驱体：主要包括石油焦、石墨化中间相碳微球、沥青以及无烟煤等。✓硬碳前驱体：主要包括生物质、碳水化合物、和树脂等。生物质前驱体主要是指植物的根茎叶等（例如：香蕉皮、泥煤苔、花生壳、树叶、苹果皮、柚子皮、杨木和棉花等）。碳水化合物前驱体主要包括葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素和木质素等通过生物质提取而来的化工产品。树脂前驱体主要包括酚醛树脂、聚苯胺和聚丙烯腈等。图表SEQ图表\*ARABIC22不同碳源前驱体的无定形碳性能对比资料来源：《钠离子电池无定形碳负极材料研究》，《钠离子电池关键材料研究及工程化探索进展》二、硬碳前驱体以生物质+树脂为主，一步碳化法工艺应用最广由于其他材料合成条件较为复杂，制备成本较大，在大规模储能钠离子电池应用前景比较低，目前制备硬碳材料所用的前驱体主要有生物质和树脂两大类。生物质热解硬碳材料由于前驱体是自然界分布广泛的生物质，具有环境友好、价格低廉、资源丰富等特点。树脂由于具有耐热性、耐燃性、耐水性和绝缘性优良，耐酸性较好，机械和电气性能良好等一系列优点而被广泛用于电气设备，作为一种人工合成材料已经在工业上实现大规模的生产，因此其也被作为制备硬碳材料的优质前驱体材料。但是生物质类前驱体虽然具有较低的价格，但是其产碳率很低，一般只有小于20%的产碳率；而树脂类前驱体是通过人工合成的方法所获得，因此其成本相对较高。目前产业内以生物质工艺路线为主，行业龙头日本可乐丽主要以椰子壳作为前驱体制备硬碳材料。生物质硬碳制备工艺：一步碳化法应用最广，活化法最具前景。目前生物质硬碳制备工艺主要为一步碳化法、活化法、水热法、模板法为主。其中一步碳化法应用最广，但一步碳化法制备的生物碳材料在大电流循环过程中不稳定，倍率性能较差；而活化法制备多级孔径的硬碳材料具有更多的接触位点，有利于钠离子的脱嵌，循环稳定性以及电化学性能更优，未来最有前景。图表SEQ图表\*ARABIC23生物质硬碳制备工艺对比资料来源：《钠离子储能电池碳基负极材料研究》，《基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研究进展》三、改性工艺提升碳基负极材料性能加快产业化应用硬碳作为钠离子电池负极材料时也存在着一些缺点，比如低的电极电位和首圈库伦效率及差的循环稳定性和倍率。这些因素严重阻碍着硬碳基负极材料的产业化应用。虽然对硬碳材料的储能机理还有待进一步的确认，但是关于硬碳储钠性能的提升策略却存在一些共通之处。基于对硬碳储钠机理的认识，硬碳材料储钠性能（倍率，比容量，首圈库伦效率ICE）提升的策略主要集中在以下几个方面：（1）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；（2）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；（3）电解液的调控以及预钠化的处理。软碳材料改性工艺与硬碳类似，需要通过预氧化、材料复合等方式提升其电化学性能。图表SEQ图表\*ARABIC24硬碳负极材料主要改性工艺资料来源：《钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展》四、硬/软碳制备工艺不同，生产壁垒较高从目前各家披露的专利看，硬碳生产工艺主要包括粉碎、碳化、纯化、活化等过程，生物质前驱体还需要酸洗等步骤，树脂则需要与乙醇混合等。软碳生产工艺主要包括预氧化以及高温碳化，同时需要根据材料的性能需求进行元素掺杂、材料复合等工艺。在生产工艺中，温度控制以及前驱体的选取极其重要，决定其最终的产品性能。目前硬碳产品工艺是市场主流，软碳产品主要以中科海纳+华阳股份为主。图表SEQ图表\*ARABIC25硬碳/软碳负极材料生产工艺流程资料来源：国家专利网五、资本助力产业链创新，生物质将最先产业化锂矿价格居高不下使得生产商纷纷将目光投向钠离子电池，也带来了资本领域的关注。此外，由于产业的高度相似性，钠电产业化得以受益于锂电的产业链成熟度与积淀，为上下游的高效研发响应与快速迭代创新提供了很大助力。从新老厂商专利和产品来看，生物质硬碳负极成为厂商当前布局的重点。比容量方面，生物质、树脂、石墨烯的比容量较高，均处于300mAh/g以上，无烟煤和沥青基比容量较低。首效方面，生物质较为领先，沥青、无烟煤首效较低。循环寿命方面，优异的生物质硬碳负极能达到3000次以上，足以满足动力以及部分储能领域的应用需求。第四章中国硬碳材料行业技术与上游原材料分析第一节钠电产业链初步成型，负极材料换新，硬碳为当下主流一、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。图表SEQ图表\*ARABIC26软碳、硬碳性能对比情况数据来源：中国粉体网二、钠离子电池下游客户需求明确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。图表SEQ图表\*ARABIC27钠离子电池下游需求及应用情况数据来源：公司公告，微信公众号三、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。图表SEQ图表\*ARABIC28NaCP10/64/165软包钠离子电池各部分材料质量占比数据来源：《钠离子电池科学与技术》，东北证券注：电芯基本参数：容量6Ah，平均电压3.2V，质量0.126kg，能量密度约153Wh/kg；正极材料125~128mAh/g，首次效率91~92%；负极材料300~310mAh/g，首次效率88%~90%第二节八仙过海各显神通，生物质前驱体更胜一筹一、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。图表SEQ图表\*ARABIC29在售硬碳产品性能情况数据来源：公司官网，东北证券图表SEQ图表\*ARABIC30硬碳储钠示意图数据来源：《Hardcarbonanodes:fundamentalunderstandingandcommercialperspectivesforNa-ionbatteriesbeyondLi-ionandK-ioncounterparts》图表SEQ图表\*ARABIC31硬碳储钠机理数据来源：《Hardcarbonanodes:fundamentalunderstandingandcommercialperspectivesforNa-ionbatteriesbeyondLi-ionandK-ioncounterparts》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。图表SEQ图表\*ARABIC32无定形碳形成过程情况数据来源：《钠离子电池无定形碳负极材料研究》图表SEQ图表\*ARABIC33软木塞、核桃壳、枫叶、樱花瓣衍生硬碳图像数据来源：《钠离子电池无定形碳负极材料研究》二、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。图表SEQ图表\*ARABIC34各类碳前驱体性价比情况数据来源：《Advancednanostructuredanodematerialsforsodium-ionbatteries》图表SEQ图表\*ARABIC35不同前驱体制备钠电硬碳性能情况数据来源：《钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展》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。图表SEQ图表\*ARABIC36沥青、酚醛树脂、秸秆、椰壳、淀粉、竹子等前驱体制备硬碳生产工艺对比数据来源：《一种复合硬碳负极材料及其制备方法和用途》、《锂离子电池复合硬碳负