微米和纳米科技材料

碳纳米管产业研究:具有广阔应用前景的新一代导电材料

(报告出品方/作者:国信证券,王蔚祺)

一、碳纳米管介绍:性能突出的导电剂

碳纳米管结构及特性

碳纳米管又称巴基管,英文简称CNT,是由单层或多层的石墨烯层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成一维量子材料。其最早在1991年由饭岛澄男发现。碳 纳米管的长径比、碳纯度作为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,碳纳米管管径越细,长度越长,导电性能越好。

CNT具有突出的多方面性能:1)力学性能:具有极高的弹性和韧性,杨氏模量是钢的近6倍、抗拉强度是钢的100倍,也是目前自然界中比强度最高的材料 。2)电学性能:导电性显著优于石墨烯、炭黑等材料,且管径越细、长度越长,导电性越好。3)导热性能:极高的导热率,室温下导热率是金刚石的2倍。 轴向导热性能优、径向导热较差,可合成各向异性的导热材料。4)化学稳定性:具有耐酸性、耐碱性,在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身 的阻酸抗氧化性能。5)嵌锂性能优异:碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷,为锂离子提供了丰富的 存储空间和运输通道。

碳纳米管分类:单壁碳纳米管性能更优

单壁碳纳米管优势体现为:

结构简单、化学性质稳定:多壁碳纳米管形成过程中层与层之间容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,而单壁碳纳米管结构简单、均匀一致性好,且缺陷少、 化学性质稳定。

添加量少、导电性优:由于单壁碳纳米管长度-直径比较高,其能够在极低添加量下形成三维导电网络。同时,单壁碳纳米管有一层碳原子,并根据空间的螺 旋特性可表现出金属或半导体性能。此外,其强大的碳碳键使得其能够有更高的载流量,电流密度能够高于铜等金属1000倍以上。

弹性好、机械性能高:单壁碳纳米管具有更强的柔韧性,能够更好的弯曲、扭曲或扭结,其弹性模量和抗拉强度显著优于多壁碳纳米管。

导热性好:单壁碳纳米管的单位质量导热系数高于多壁碳纳米管,同时二者都能够承受750℃以上的高温。

制成品颜色多样:多壁碳纳米管通过提高添加量来改善机械性能和导电性,这会影响产品表面质量和颜色,如其只能生产黑色材料。由于单壁碳纳米管添加 量普遍在0.01-0.1%,因而能够生产任何颜色以及透明导电材料。

在商业用途中,碳纳米管根据石墨烯层数差异可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管优势体现为:

安全性能优:在45℃高温多周循环下,添加单壁CNT的软包电池内阻增长,明显低于添加其他导电剂的电池,表明电池着火风险越小。

提升极片附着力:单壁碳纳米管网络将正极材料颗粒连在一起,从而提高了颗粒之间的连接强度。而这一特性对于易粉化、易脱落的硅基负极而言尤为重要。

碳纳米管技术壁垒体现在催化剂、分散体系和设备三个方面

设备:碳纳米管生产中主要使用的设备有超高温炉、碳化反应器、石墨化炉、砂磨机等。碳纳米管体积密度小、比表面积大,生产中易出现缠绕,连续化生产难 度高。行业内企业普遍会对流化床反应器、纯化和分散设备进行改造、甚至自主设计,以此提高生产效率和连续性。例如,截止2022年1月底天奈科技共拥有59 项碳纳米管相关专利,其中设备改进相关专利为33项,占比达到56%。

碳纳米管生产过程中核心壁垒体现为:

分散体系:粉体分散是浆料制备的核心步骤。由于CNT粉体直接实际应用效果不好,所以电池厂目前更倾向于采购CNT浆料。而由于碳纳米管之间较强的范德华 力和高长径比,容易形成大的管束,并且纳米尺寸效应的存在,使得团聚效应更为显著。常见的分散方法包括研磨、高能球磨、添加表面活性剂等。实际生产中 ,常采用PVP等表面活性剂作为分散剂,NMP作为分散介质,使用砂磨机进行分散。而不同组分和不同含量的分散剂所得到的效果存在显著差异。

催化剂:催化剂的制备方法和流程,会影响其粒径、活性、纯度等性能,进而对碳纳米管的管径、长度、纯度以及均一性产生显著影响。各家企业针对催化剂的 组分和生产流程多进行了专利布局,并且通过自身实际生产工艺进行灵活调整。而催化剂制备水平的优劣也会直接反应在碳纳米管产品的性能上。(报告来源:未来智库)

二、动力电池快速渗透,百亿市场扬帆远航

碳纳米管应用领域之锂电池:提升正负极导电性能

导电剂是锂电池的关键辅材,主要作用是提升正负极的导电性。锂电池正极活性材料普遍存在导电性差的问题,使得电极内阻较高、放电深度不够,进而导致活 性材料利用率低、电极的残余容量较大。而导电剂在其中发挥着: 1)提升电子在电极中传输速率,提升导电性; 2)提升极片对电解液的浸润,提高锂离子迁移速率,改善电极充放电效率和使用寿命; 3)充放电过程中正极材料体积变动时,构建良好导电网络,改善导电性。 目前主流导电剂为炭黑类、碳纳米管、导电石墨类、VGCF(气相生长碳纤维)和石墨烯。

碳纳米管产品迭代快,不同代际性能与盈利能力差异显著

各代际碳纳米管之间制备方法的差异主要体现在催化剂配方以及宏量制备方 法上,高代产品管径更细、长度更长,导电性能、机械性能等各方面更为优 异。根据天奈科技公告,其碳纳米管产品大致分为四代,各代产品对应不同 的催化剂配方和不同的细分应用领域。各代产品推出时间间隔在2-3年,价 格差异显著、成本相差很小。这种快迭代的产品也是夯实碳纳米管高盈利的 重要基础。

碳纳米管在导电剂中渗透率稳步提升

碳纳米管和石墨烯导电剂相较于传统导电剂具有导电性能好、用量少的特点。炭黑类、导电石墨类和VGCF作为传统的导电剂,其在活性物质之间各形成点、面 或线接触式的导电网络;碳纳米管和石墨烯属于新型导电极材料,其分别形成线接触式和面接触式导电网络。 在用量方面,导电剂的添加量取决于不同电池生产商的电化学体系,一般为正极或负极重量的1%-3%,碳纳米管导电剂的粉体使用量仅为传统导电剂的1/6-1/2 。根据GGII预测,2021年炭黑依旧是市场最主流的导电剂,其出货量占比有望达到69.7%;碳纳米管渗透率持续上升,有望达到21.2%。

多因素催化碳纳米管渗透:

碳纳米管产品经济性逐步体现。由于原材料及能源价格上涨,炭黑报价在2021年底由4.5万元/吨提升至近10万元/吨。而碳纳米管伴随规模化快速降本,经济 性已初步体现。假设正极材料中SP的添加量为3%,而碳纳米管添加量为0.5%-1.5%。根据天奈科技公告,碳纳米管粉体在2021年前三季度均价已降至22.2万 元/吨,较2020年降低38.6%。我们中性假设2022年SP均价为7万元/吨,碳纳米管均价为21.1万元/吨,测算得到添加3%SP对应单吨成本为0.21万元,添加 0.5%/1.0%/1.5%碳纳米管对应单吨成本为0.11/0.21/0.32万元

与三元正极相比,磷酸铁锂正极材料的优势在于:1)组分无贵金属,成本低;2)材料晶格稳定,可逆性好,循环寿命长;3)化学键稳定,安全性能高;其 主要不足在于:1)能量密度低;2)导电性能差。

成本优势叠加新技术推动磷酸铁锂装机量走高。近年来新能源车补贴政策快速滑坡,下游电池厂降本压力巨大,特别是2021年以来镍、钴金属价格持续走高, 使得三元电芯价格快速提升,进而使得磷酸铁锂低成本优势更为突出。刀片电池、CTP(Cell to Pack)封装技术等使得磷酸铁锂电池能量密度得以提升。兼具 安全性和性价比的磷酸铁锂电池装机占比持续走高;2021年国内磷酸铁锂电池装机量从24.4GWh提升至79.8GWh,占比为51.7%,同比提升13.3pct。

三、行业高集中快迭代,龙头企业优势显著

碳纳米管行业特点:技术密集型的利基市场

国产化率仍有提升空间:2020年国内碳纳米管出货量占全球的54%,低于负极、电解液等环节,仍有较大提升空间。

行业集中度高:碳纳米管行业2018-2020年,CR3/CR5分别从68.0%/87.7%提升至75.7%/89.1%,行业持续集中。横向对比来看,碳纳米管行业集中度显著 高于四大锂电主材环节。

碳纳米管单GWh产能投资额为0.30亿元,与负极基本持平,显著低于隔膜和正极行业;头部碳纳米管企业的投资回收期在6年左右。 2020年天奈科技毛利率为39%,低于隔膜环节的恩捷股份,但显著高于其他主材环节。高毛利率一方面是由于其在电池中成本占比低(不足4%),下游价 格敏感性低;另一方面是产品2-3年的快速迭代,保持较好的竞争优势

天奈科技领航赛道,OCSiAl单壁碳管全球领先

天奈科技在碳纳米管行业地位稳固:根据GGII数据,2020年国内碳纳米管导电浆体行业中天奈科技出货量多年蝉联第一,市占率达到32.3%,主要是供应高端 锂电池市场;集越纳米市占率23.8%位居第二;卡博特位居第三。海外企业中卡博特收购三顺纳米切入该领域,LG化学依托自身化工优势自研。

碳纳米管行业主要壁垒:1)技术难度大,传统导电剂主要是通过反应炉将燃料热解来进行制备,碳纳米管是通过纳米级化学气相沉积法来制备,制备工艺和设 备存在显著差别,难以直接切入;2)导电剂认证周期较长,且成本占比较低,因而客户粘性较大。

单壁碳纳米管是新机遇,OCSiAl超前布局谋求先机。OCSiAl是一家俄罗斯企业,其在2013年研发出了首个工业合成单壁碳纳米管的技术,并且在2014年正式 发布其单壁碳纳米管产品TUBALL。目前,OCSiAl拥有90万吨的年产能,占全球单壁碳纳米管市场的95%以上。TUBALL已经在锂离子电池、轮胎、导电塑料等 领域得到应用,且性能领先于同行竞品。国内企业,天奈科技已成功研发单壁碳纳米管成品,并在2021年定增新建单壁碳纳米管产能,有望在2023-2024年投 产;中科时代纳米(中科院成都有机化学所)已具备500kg的年生产能力;道氏技术(青岛昊鑫)也已经完成单壁碳纳米管的研制工作。

单壁碳纳米管现阶段价格较高,规模化后有望快速降本。我们假设单壁碳管报价为900万元/吨。我们假设相同情况下单壁碳管添加量为0.1%,多壁碳管添加量 为1.5%。那么我们测算得到单壁碳管和多壁碳管单吨成本分别为0.90/0.32万元。未来伴随企业产能在2023-2024年批量释放以及硅基负极的快速应用,单壁碳 管有望通过规模化快速降本。

四、重点公司分析

天奈科技

技术优势:公司自主制备催化剂、自研关键设备、分散体系设置专利保护,掌握核心制备壁垒。同时公司针对硅基负极、高镍正极等新产业趋势,已经进行专利 布局和技术积累,持续保持龙头优势。公司现已量产一代、二代和三代产品,新一代应用到硅基负极中的产品有望在2023-2024年量产,产品性能和迭代速度领 先同行。从历史上看,公司对各主要电池技术的产品研发和市场推广,均领先行业主要竞争对手。

客户优势:公司与宁德时代、比亚迪、ATL等产业龙头密切合作,并积极布局亿纬锂能、欣旺达、中创新航等客户,客户兼具深度和广度。同行企业多集中于 同比亚迪、国轩高科等企业合作,其他电池厂渗透较少。1)近年来公司积极加深与宁德时代等厂商合作,2021年前三季度对其销售占比已提升至18.2%,较 2018年提升12.2pct;2021年前三季度中创新航首次跻身前五大客户。2)凭借单壁碳纳米管产品优势,公司有望突破松下、三星新电池体系,跟随4680电池 及硅基负极快速成长。

规模优势:公司2021年底预计碳纳米管导电浆料产能为5万吨,生产能力远超同行。规模效应和产品高速迭代下,公司盈利持续高位。2021年上半年,天奈 科技净利率达到23.05%,高于青岛昊鑫的17.78%。

募投扩产缓解产能瓶颈,一体化叠加产品优化增厚利润

量的逻辑:

产能扩张:下游汽车电动化加速推进,公司产品供不应求,产能利用率持续高位,大举扩产势在必行。公司现有碳纳米管导电浆料产能达到5万吨,2021年公 司再提新扩产计划,拟扩建5万吨导电浆料项目,届时公司产能将突破10万吨,较现有产能实现翻倍。

导电母粒有望贡献新增量:公司IPO募投导电母粒产能为2,000吨,2021年可转债募资再扩产5,000吨。导电母粒升有望成为业绩新增长点。(报告来源:未来智库)

公司一体化布局夯实盈利优势:

1)粉体自产:公司碳纳米管粉体均为自产,较青岛昊鑫等在原料成本上更具优势,公司IPO募投6000吨粉体有望在2022年至2023年开始释放;

2)布局纯化环节:公司早期场地资源有限纯化多采用委外加工,而高代碳纳米管产品纯化要求高,公司在2021年募投新建3000吨碳管纯化产能,提高产品质量 、保障竞争力;

3)深化NMP生产与回收:碳纳米管浆料的主要原材料有NMP、丙烯、分散剂等,其中NMP成本占比超80%。2018年公司投资设立控股子公司新纳环保自行生 产和回收NMP,相关项目已于2020年开始投产,未来伴随产能爬坡有望对冲NMP价格波动对成本的压力。

规模化推动成本下降:公司产能快速扩张和产能利用率持续提升下,单位产品折旧摊销减少,制造费用和人工成本占比持续下降,成本得到优化。

产品结构优化增厚利润:公司每2-3年推出一代新产品,新品价格高、盈利能力强。近年来公司二代、三代及以上高毛利率产品积极导入下游客户并开发新型 单壁碳纳米管产品,产品结构优化增强盈利能力。

报告节选:

(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)

精选报告来源:【未来智库】。

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