碳納米管行業(yè)研究：新一代導(dǎo)電材料應(yīng)用前景廣闊

碳納米管行業(yè)研究：新一代導(dǎo)電材料，應(yīng)用前景廣闊一、碳納米管介紹：性能突出的導(dǎo)電劑碳納米管結(jié)構(gòu)及特性碳納米管又稱巴基管，英文簡(jiǎn)稱CNT，是由單層或多層的石墨烯層圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成一維量子材料。其最早在1991年由飯島澄男發(fā)現(xiàn)。碳納米管的長(zhǎng)徑比、碳純度作為影響導(dǎo)電性的兩個(gè)核心指標(biāo)，直接決定了碳納米管的產(chǎn)品性能，碳納米管管徑越細(xì)，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，導(dǎo)電性能越好。CNT具有突出的多方面性能：1）力學(xué)性能：具有極高的彈性和韌性，楊氏模量是鋼的近6倍、抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍，也是目前自然界中比強(qiáng)度最高的材料。2）電學(xué)性能：導(dǎo)電性顯著優(yōu)于石墨烯、炭黑等材料，且管徑越細(xì)、長(zhǎng)度越長(zhǎng)，導(dǎo)電性越好。3）導(dǎo)熱性能：極高的導(dǎo)熱率，室溫下導(dǎo)熱率是金剛石的2倍。軸向?qū)嵝阅軆?yōu)、徑向?qū)彷^差，可合成各向異性的導(dǎo)熱材料。4）化學(xué)穩(wěn)定性：具有耐酸性、耐堿性，在高分子復(fù)合材料中添加碳納米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。5）嵌鋰性能優(yōu)異：碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結(jié)構(gòu)中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲(chǔ)空間和運(yùn)輸通道。碳納米管分類：?jiǎn)伪谔技{米管性能更優(yōu)單壁碳納米管優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定：多壁碳納米管形成過程中層與層之間容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，而單壁碳納米管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、均勻一致性好，且缺陷少、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。添加量少、導(dǎo)電性優(yōu)：由于單壁碳納米管長(zhǎng)度-直徑比較高，其能夠在極低添加量下形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，單壁碳納米管有一層碳原子，并根據(jù)空間的螺旋特性可表現(xiàn)出金屬或半導(dǎo)體性能。此外，其強(qiáng)大的碳碳鍵使得其能夠有更高的載流量，電流密度能夠高于銅等金屬1000倍以上。彈性好、機(jī)械性能高：?jiǎn)伪谔技{米管具有更強(qiáng)的柔韌性，能夠更好的彎曲、扭曲或扭結(jié)，其彈性模量和抗拉強(qiáng)度顯著優(yōu)于多壁碳納米管。導(dǎo)熱性好：?jiǎn)伪谔技{米管的單位質(zhì)量導(dǎo)熱系數(shù)高于多壁碳納米管，同時(shí)二者都能夠承受750℃以上的高溫。制成品顏色多樣：多壁碳納米管通過提高添加量來改善機(jī)械性能和導(dǎo)電性，這會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量和顏色，如其只能生產(chǎn)黑色材料。由于單壁碳納米管添加量普遍在0.01-0.1%，因而能夠生產(chǎn)任何顏色以及透明導(dǎo)電材料。在商業(yè)用途中，碳納米管根據(jù)石墨烯層數(shù)差異可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。單壁碳納米管優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)為：安全性能優(yōu)：在45℃高溫多周循環(huán)下，添加單壁CNT的軟包電池內(nèi)阻增長(zhǎng)，明顯低于添加其他導(dǎo)電劑的電池，表明電池著火風(fēng)險(xiǎn)越小。提升極片附著力：?jiǎn)伪谔技{米管網(wǎng)絡(luò)將正極材料顆粒連在一起，從而提高了顆粒之間的連接強(qiáng)度。而這一特性對(duì)于易粉化、易脫落的硅基負(fù)極而言尤為重要。碳納米管技術(shù)壁壘體現(xiàn)在催化劑、分散體系和設(shè)備三個(gè)方面設(shè)備：碳納米管生產(chǎn)中主要使用的設(shè)備有超高溫爐、碳化反應(yīng)器、石墨化爐、砂磨機(jī)等。碳納米管體積密度小、比表面積大，生產(chǎn)中易出現(xiàn)纏繞，連續(xù)化生產(chǎn)難度高。行業(yè)內(nèi)企業(yè)普遍會(huì)對(duì)流化床反應(yīng)器、純化和分散設(shè)備進(jìn)行改造、甚至自主設(shè)計(jì)，以此提高生產(chǎn)效率和連續(xù)性。例如，截止2022年1月底天奈科技共擁有59項(xiàng)碳納米管相關(guān)專利，其中設(shè)備改進(jìn)相關(guān)專利為33項(xiàng)，占比達(dá)到56%。碳納米管生產(chǎn)過程中核心壁壘體現(xiàn)為：分散體系：粉體分散是漿料制備的核心步驟。由于CNT粉體直接實(shí)際應(yīng)用效果不好，所以電池廠目前更傾向于采購(gòu)CNT漿料。而由于碳納米管之間較強(qiáng)的范德華力和高長(zhǎng)徑比，容易形成大的管束，并且納米尺寸效應(yīng)的存在，使得團(tuán)聚效應(yīng)更為顯著。常見的分散方法包括研磨、高能球磨、添加表面活性劑等。實(shí)際生產(chǎn)中，常采用PVP等表面活性劑作為分散劑，NMP作為分散介質(zhì)，使用砂磨機(jī)進(jìn)行分散。而不同組分和不同含量的分散劑所得到的效果存在顯著差異。二、動(dòng)力電池快速滲透，百億市場(chǎng)揚(yáng)帆遠(yuǎn)航碳納米管應(yīng)用領(lǐng)域之鋰電池：提升正負(fù)極導(dǎo)電性能導(dǎo)電劑是鋰電池的關(guān)鍵輔材，主要作用是提升正負(fù)極的導(dǎo)電性。鋰電池正極活性材料普遍存在導(dǎo)電性差的問題，使得電極內(nèi)阻較高、放電深度不夠，進(jìn)而導(dǎo)致活性材料利用率低、電極的殘余容量較大。而導(dǎo)電劑在其中發(fā)揮著：

1）提升電子在電極中傳輸速率，提升導(dǎo)電性；

2）提升極片對(duì)電解液的浸潤(rùn)，提高鋰離子遷移速率，改善電極充放電效率和使用壽命；

3）充放電過程中正極材料體積變動(dòng)時(shí)，構(gòu)建良好導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，改善導(dǎo)電性。目前主流導(dǎo)電劑為炭黑類、碳納米管、導(dǎo)電石墨類、VGCF（氣相生長(zhǎng)碳纖維）和石墨烯。碳納米管產(chǎn)品迭代快，不同代際性能與盈利能力差異顯著各代際碳納米管之間制備方法的差異主要體現(xiàn)在催化劑配方以及宏量制備方法上，高代產(chǎn)品管徑更細(xì)、長(zhǎng)度更長(zhǎng)，導(dǎo)電性能、機(jī)械性能等各方面更為優(yōu)異。根據(jù)天奈科技公告，其碳納米管產(chǎn)品大致分為四代，各代產(chǎn)品對(duì)應(yīng)不同的催化劑配方和不同的細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域。各代產(chǎn)品推出時(shí)間間隔在2-3年，價(jià)格差異顯著、成本相差很小。這種快迭代的產(chǎn)品也是夯實(shí)碳納米管高盈利的重要基礎(chǔ)。碳納米管在導(dǎo)電劑中滲透率穩(wěn)步提升碳納米管和石墨烯導(dǎo)電劑相較于傳統(tǒng)導(dǎo)電劑具有導(dǎo)電性能好、用量少的特點(diǎn)。炭黑類、導(dǎo)電石墨類和VGCF作為傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑，其在活性物質(zhì)之間各形成點(diǎn)、面或線接觸式的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；碳納米管和石墨烯屬于新型導(dǎo)電極材料，其分別形成線接觸式和面接觸式導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。在用量方面，導(dǎo)電劑的添加量取決于不同電池生產(chǎn)商的電化學(xué)體系，一般為正極或負(fù)極重量的1%-3%，碳納米管導(dǎo)電劑的粉體使用量?jī)H為傳統(tǒng)導(dǎo)電劑的1/6-1/2。根據(jù)GGII預(yù)測(cè)，2021年炭黑依舊是市場(chǎng)最主流的導(dǎo)電劑，其出貨量占比有望達(dá)到69.7%；碳納米管滲透率持續(xù)上升，有望達(dá)到21.2%。多因素催化碳納米管滲透：碳納米管產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性逐步體現(xiàn)。由于原材料及能源價(jià)格上漲，炭黑報(bào)價(jià)在2021年底由4.5萬元/噸提升至近10萬元/噸。而碳納米管伴隨規(guī)?；焖俳当荆?jīng)濟(jì)性已初步體現(xiàn)。假設(shè)正極材料中SP的添加量為3%，而碳納米管添加量為0.5%-1.5%。根據(jù)天奈科技公告，碳納米管粉體在2021年前三季度均價(jià)已降至22.2萬元/噸，較2020年降低38.6%。我們中性假設(shè)2022年SP均價(jià)為7萬元/噸，碳納米管均價(jià)為21.1萬元/噸，測(cè)算得到添加3%SP對(duì)應(yīng)單噸成本為0.21萬元，添加0.5%/1.0%/1.5%碳納米管對(duì)應(yīng)單噸成本為0.11/0.21/0.32萬元與三元正極相比，磷酸鐵鋰正極材料的優(yōu)勢(shì)在于：1）組分無貴金屬，成本低；2）材料晶格穩(wěn)定，可逆性好，循環(huán)壽命長(zhǎng)；3）化學(xué)鍵穩(wěn)定，安全性能高；其主要不足在于：1）能量密度低；2）導(dǎo)電性能差。成本優(yōu)勢(shì)疊加新技術(shù)推動(dòng)磷酸鐵鋰裝機(jī)量走高。近年來新能源車補(bǔ)貼政策快速滑坡，下游電池廠降本壓力巨大，特別是2021年以來鎳、鈷金屬價(jià)格持續(xù)走高，使得三元電芯價(jià)格快速提升，進(jìn)而使得磷酸鐵鋰低成本優(yōu)勢(shì)更為突出。刀片電池、CTP（CelltoPack）封裝技術(shù)等使得磷酸鐵鋰電池能量密度得以提升。兼具安全性和性價(jià)比的磷酸鐵鋰電池裝機(jī)占比持續(xù)走高；2021年國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰電池裝機(jī)量從24.4GWh提升至79.8GWh，占比為51.7%，同比提升13.3pct。三、行業(yè)高集中快迭代，龍頭企業(yè)優(yōu)勢(shì)顯著碳納米管行業(yè)特點(diǎn)：技術(shù)密集型的利基市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率仍有提升空間：2020年國(guó)內(nèi)碳納米管出貨量占全球的54%，低于負(fù)極、電解液等環(huán)節(jié)，仍有較大提升空間。行業(yè)集中度高：碳納米管行業(yè)2018-2020年，CR3/CR5分別從68.0%/87.7%提升至75.7%/89.1%，行業(yè)持續(xù)集中。橫向?qū)Ρ葋砜?，碳納米管行業(yè)集中度顯著高于四大鋰電主材環(huán)節(jié)。碳納米管單GWh產(chǎn)能投資額為0.30億元，與負(fù)極基本持平，顯著低于隔膜和正極行業(yè)；頭部碳納米管企業(yè)的投資回收期在6年左右。2020年天奈科技毛利率為39%，低于隔膜環(huán)節(jié)的恩捷股份，但顯著高于其他主材環(huán)節(jié)。高毛利率一方面是由于其在電池中成本占比低（不足4%），下游價(jià)格敏感性低；另一方面是產(chǎn)品2-3年的快速迭代，保持較好的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)天奈科技領(lǐng)航賽道，OCSiAl單壁碳管全球領(lǐng)先天奈科技在碳納米管行業(yè)地位穩(wěn)固：根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2020年國(guó)內(nèi)碳納米管導(dǎo)電漿體行業(yè)中天奈科技出貨量多年蟬聯(lián)第一，市占率達(dá)到32.3%，主要是供應(yīng)高端鋰電池市場(chǎng)；集越納米市占率23.8%位居第二；卡博特位居第三。海外企業(yè)中卡博特收購(gòu)三順納米切入該領(lǐng)域，LG化學(xué)依托自身化工優(yōu)勢(shì)自研。碳納米管行業(yè)主要壁壘：1）技術(shù)難度大，傳統(tǒng)導(dǎo)電劑主要是通過反應(yīng)爐將燃料熱解來進(jìn)行制備，碳納米管是通過納米級(jí)化學(xué)氣相沉積法來制備，制備工藝和設(shè)備存在顯著差別，難以直接切入；2）導(dǎo)電劑認(rèn)證周期較長(zhǎng)，且成本占比較低，因而客戶粘性較大。單壁碳納米管是新機(jī)遇，OCSiAl超前布局謀求先機(jī)。OCSiAl是一家俄羅斯企業(yè)，其在2013年研發(fā)出了首個(gè)工業(yè)合成單壁碳納米管的技術(shù)，并且在2014年正式發(fā)布其單壁碳納米管產(chǎn)品TUBALL。目前，OCSiAl擁有90萬噸的年產(chǎn)能，占全球單壁碳納米管市場(chǎng)的95%以上。TUBALL已經(jīng)在鋰離子電池、輪胎、導(dǎo)電塑料等領(lǐng)域得到應(yīng)用，且性能領(lǐng)先于同行競(jìng)品。國(guó)內(nèi)企業(yè)，天奈科技已成功研發(fā)單壁碳納米管成品，并在2021年定增新建單壁碳納米管產(chǎn)能，有望在2023-2024年投產(chǎn)；中科時(shí)代納米（中科院成都有機(jī)化學(xué)所）已具備500kg的年生產(chǎn)能力；道氏技術(shù)（青島昊鑫）也已經(jīng)完成單壁碳納米管的研制工作。單壁碳納米管現(xiàn)階段價(jià)格較高，規(guī)?；笥型焖俳当?。我們假設(shè)單壁碳管報(bào)價(jià)為900萬元/噸。我們假設(shè)相同情況下單壁碳管添加量為0.1%，多壁碳管添加量為1.5%。那么我們測(cè)算得到單壁碳管和多壁碳管單噸成本分別為0.90/0.32萬元。未來伴隨企業(yè)產(chǎn)能在2023-2024年批量釋放以及硅基負(fù)極的快速應(yīng)用，單壁碳管有望通過規(guī)?；焖俳当尽Ｋ?、重點(diǎn)公司分析天奈科技技術(shù)優(yōu)勢(shì)：公司自主制備催化劑、自研關(guān)鍵設(shè)備、分散體系設(shè)置專利保護(hù)，掌握核心制備壁壘。同時(shí)公司針對(duì)硅基負(fù)極、高鎳正極等新產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)，已經(jīng)進(jìn)行專利布局和技術(shù)積累，持續(xù)保持龍頭優(yōu)勢(shì)。公司現(xiàn)已量產(chǎn)一代、二代和三代產(chǎn)品，新一代應(yīng)用到硅基負(fù)極中的產(chǎn)品有望在2023-2024年量產(chǎn)，產(chǎn)品性能和迭代速度領(lǐng)先同行。從歷史上看，公司對(duì)各主要電池技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)和市場(chǎng)推廣，均領(lǐng)先行業(yè)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手?？蛻魞?yōu)勢(shì)：公司與寧德時(shí)代、比亞迪、ATL等產(chǎn)業(yè)龍頭密切合作，并積極布局億緯鋰能、欣旺達(dá)、中創(chuàng)新航等客戶，客戶兼具深度和廣度。同行企業(yè)多集中于同比亞迪、國(guó)軒高科等企業(yè)合作，其他電池廠滲透較少。1）近年來公司積極加深與寧德時(shí)代等廠商合作，2021年前三季度對(duì)其銷售占比已提升至18.2%，較2018年提升12.2pct；2021年前三季度中創(chuàng)新航首次躋身前五大客戶。2）憑借單壁碳納米管產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，公司有望突破松下、三星新電池體系，跟隨4680電池及硅基負(fù)極快速成長(zhǎng)。規(guī)模優(yōu)勢(shì)：公司2021年底預(yù)計(jì)碳納米管導(dǎo)電漿料產(chǎn)能為5萬噸，生產(chǎn)能力遠(yuǎn)超同行。規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)品高速迭代下，公司盈利持續(xù)高位。2021年上半年，天奈科技凈利率達(dá)到23.05%，高于青島昊鑫的17