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文|梧桐樹資本
「導電劑材料是鋰離子電池的重要組成部分,對鋰離子電池的化學性能起到重要作用。導電劑作為電池的關鍵輔材,由於其不能增加能量密度,隨著技術創新電芯對其用量呈下降趨勢。
新型導電劑憑藉優異的導電性能和更少的用量主要用於新能源汽車動力電池。目前,碳納米管主要用於三元材料,是新型導電劑的主要發展方向。
本文選自梧桐樹資本新能源新材料基金投資總監張大鵬的《新型導電劑行業研究》。」
01 重要結論
導電劑作為電池的關鍵輔材,主要用於提高電池倍率性能、增加循環壽命,由於其不能增加能量密度,隨著技術創新電芯對其用量呈下降趨勢,一般佔鋰電池成本5%左右,預計到2022年行業總規模將達到290億元。
新型導電劑憑藉優異的導電性能和更少的用量主要用於新能源汽車動力電池,碳納米管主要用於三元材料,是新型導電劑的主要發展方向,石墨烯導電劑由於性能問題只能混參使用,目前新型電導劑市場在電導劑市場滲透率為31.2%。市場發展方面,由於技術發展時間較短,產品驗證時期較長,國內目前CATL、BYD、ATL、國軒高科等部分廠家已經開始批量採購,其他廠家還處於技術評估和產品驗證階段。
碳納米管是一種新型碳材料,可廣泛應用於能源、電子器件等行業,碳納米管導電劑受動力電池行業帶動發展較快,預計2023年產值將超30億元,未來5年複合年均增長率達32.0%。行業製備工藝成熟,技術迭代較快,產能處於擴張階段,高資金投入及技術研發投入提高了行業準入門檻。近幾年市場格局相對集中,2018年行業出貨量CR8達到95%。
除電導劑領域外,碳納米管還可在半導體、導電塑料、矽碳負極等方向擴大應用市場,目前行業正處於技術突破期或產品驗證期,預計未來產業化推廣也將拉動市場需求。
重點關注投資機會:
1、技術團隊較強,產品獲得客戶認可,產能處於擴張期的成熟期標的項目;2、在CNT製備掌握核心技術,產品指標國際領先,具備產業化推廣條件的偏早期標的項目。導電劑作為電池的關鍵輔材,主要用於提高電池倍率性能、增加循環壽命,由於其不能增加能量密度,隨著技術創新電芯對其用量呈下降趨勢,一般佔鋰電池成本5%左右,預計到2022年行業總規模將達到290億元。
新型導電劑憑藉優異的導電性能和更少的用量主要用於新能源汽車動力電池,碳納米管主要用於三元材料,是新型導電劑的主要發展方向,石墨烯導電劑由於性能問題只能混參使用,目前新型電導劑市場在電導劑市場滲透率為31.2%。
市場發展方面,由於技術發展時間較短,產品驗證時期較長,國內目前CATL、BYD、ATL、國軒高科等部分廠家已經開始批量採購,其他廠家還處於技術評估和產品驗證階段。
碳納米管是一種新型碳材料,可廣泛應用於能源、電子器件等行業,碳納米管導電劑受動力電池行業帶動發展較快,預計2023年產值將超30億元,未來5年複合年均增長率達32.0%。行業製備工藝成熟,技術迭代較快,產能處於擴張階段,高資金投入及技術研發投入提高了行業準入門檻。近幾年市場格局相對集中,2018年行業出貨量CR8達到95%。
除電導劑領域外,碳納米管還可在半導體、導電塑料、矽碳負極等方向擴大應用市場,目前行業正處於技術突破期或產品驗證期,預計未來產業化推廣也將拉動市場需求。
重點關注投資機會:
1、技術團隊較強,產品獲得客戶認可,產能處於擴張期的成熟期標的項目;
2、在CNT製備掌握核心技術,產品指標國際領先,具備產業化推廣條件的偏早期標的項目。
02 導電劑行業分析
(一)導電劑行業產業規模及發展階段
1、結論
導電劑作為電池的關鍵輔材,主要用於提高電池倍率性能、增加循環壽命,一般成本佔鋰電池成本5%左右。新型導電劑憑藉優異的導電性能和更少的用量主要用於新能源汽車動力電池,已經得到下遊部分廠家認可。行業主要下遊新能源汽車行業市場保有量滲透率不到1.4%,整體產業鏈成長空間廣闊,預計2022年產業規模達到290億左右。
2、導電劑行業概念及分類
鋰電池正極常採用層狀鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等作為活性材料,由於這些活性材料本身的導電性差,使得電極的內阻較大、放電深度不夠,結果導致活性材料的利用率低、電極的殘餘容量大。導電劑作為一種關鍵的輔材,可以增加活性物質之間的導電接觸,電池製造企業通常在極片製作時加入一定量的導電劑提升鋰電池中電子在電極中的傳輸速率,進而提升鋰電池的倍率性能和改善循環壽命,導電劑成本一般佔鋰電池總成本5%左右。
鋰電池目前常用的導電劑主要包括炭黑類、導電石墨類、VGCF(氣相生長碳纖維)、碳納米管(CNT)以及石墨烯,其中,炭黑類、導電石墨類屬於傳統的導電劑,碳納米管和石墨烯屬於新型導電極材料。不同導電劑的微觀結構各不相同,按包覆的接觸面積來分,可以大致分為點接觸(如炭黑、導電石墨)、線接觸(碳納米管、碳纖維)和面接觸(石墨烯)。接觸面積越大,導電能力越好,但其生產工藝更加複雜,除製備粉體材料外,還需進行勻漿分散,生產成本較高。
【圖】各類導電劑性能及優缺點對比,數據來源:天奈科技招股說明書、公開資料
【圖】不同電導劑價格情況,數據來源:天奈科技招股說明書
新型導電劑對鋰電池性能提升有顯著效應,主要表現在提升壓實密度、倍率性能、改善循環壽命、容量發揮、提高能量密度等。
新型導電劑的性能優於傳統導電劑,主要反映在在阻抗指標,阻抗越低,導電性約好。行業在使用導電劑時,根據產品性能需要可選擇添加單一導電劑也將兩種或兩種以上導電劑混合使用。在混合材料中,碳納米管+石墨烯材料阻抗最低,單一材料中碳納米管阻抗最低。
【圖】不同材料阻抗對比,數據來源:天奈股份招股說明書
傳統導電劑發展較早,技術非常成熟,價格低廉,用量一般為正極材料重量的3%左右,目前廣泛用於數碼電池等中低端市場,而新型導電劑價格較高,用量僅為正極材料重量的0.5%-1%左右,是傳統導電劑的1/6-1/2,主要用於高端動力市場。
3、電導劑市場規模
根據GGII數據,2017年我國鋰電池導電劑(粉體)銷量3300噸(折合漿料萬噸左右),預計2022年導電劑(粉體)需求將達到7600噸(折合漿料15萬噸左右)。
【圖】2014-2022年我國電導劑行業發展趨勢
根據Marklines預測,未來5年全球動力電池行業將持續高速增長,2025年全球裝機量可達850GWh、市場空間可達5800億元。按照導電劑佔動力電池成本5%推算,導電劑市場規模將達到290億元。
4、行業發展周期
導電劑行業發展主要以2014年為分水嶺,2014年之前,中國新能源汽車市場仍處於起步階段,炭黑類導電劑佔據大部分鋰電池導電劑市場。2014年以後,動力電池受新能源汽車市場需求帶動,產銷量大幅增長,新型電導劑能明顯提升磷酸鐵鋰體系和三元體系動力電池能量密度,行業進入快速發展周期。
【圖】2014-2023年我國電導劑市場滲透情況
傳統電導劑主要依賴進口,生產企業包括美國卡博特、瑞士特密高、日本獅王、日本電氣化學和昭和電工等企業。新型電導劑的主要以國產為主,隨新型導電劑的市場推廣,國產電導劑開始逐步開始進口替代,國產化率從2014年的12.9%提升到2018年的31.2%。行業目前正處於國產替代周期。
【圖】2014-2018年我國電導劑國產化率變化情況
從行業最下遊新能源汽車市場發展看,我國新能源汽車行業經歷了戰略規劃期(2001-2008年)、導入期(2009-2015年)、成長期(2016年至今)三個發展階段。
2010年我國新能源汽車銷量僅8159輛,2015年新能源汽車銷量達到33.1萬輛,滲透率首次超過1%,2018年銷量達到125.6萬輛,滲透率達到4,5%,九年內複合增速達到87.5%。截止到2019年6月我國新能源汽車保有量約344萬輛,而傳統燃油車保有量達到2.5億輛,新能源汽車保有量滲透率不到1.4%,整體新能源汽車上下遊產業鏈成長空間廣闊。
【圖】新能源乘用車銷量同比增速,數據來源:恆大研究院
(二)產業鏈地圖
(三)國內政策
1、新材料行業政策
2、鋰電池行業政策
03 重點關注細分行業--碳納米管導電劑行業
1、小結
碳納米管是一種新型碳材料,可廣泛應用於能源、電子器件等行業,碳納米管導電劑收動力電池行業帶動發展較快,預計2023年產值將超30億元,未來5年複合年均增長率達32.0%。行業工藝技術成熟,整體準入門檻較高,技術溢價明顯,市場格局相對集中,2018年行業出貨量CR8達到95%。
2、碳納米管是新型電導劑行業主要材料
碳納米管是一種新型的碳結構材料,微觀外形是同軸圓管,管壁為數層呈正六邊形結構的碳原子。1991年由日本學者首次發現該材料,2001年清華大學和南風化工在國內率先實現產業化。該材料從物理性質看,硬度與金剛石相當,但有柔韌極好;強度是同體積鋼的100倍,重量只有1/6;導電導熱效果好,同時還有潤滑防腐等作用。應用領域包括:廣泛應用於力學、能源、納米器件、電子器件、傳感器、催化等領域。
【圖】碳納米管材料應用領域情況
碳納米管材料在鋰電池行業主要應用於正極領域,比亞迪、國軒高科、億緯鋰能、孚能科技等廠商通過添加一定比例的碳納米管摻雜的導電劑能夠有效提升電池循環壽命、倍率性能以及能量密度,直接推動了碳納米管導電劑的滲透。
新型電導劑中碳納米管主要用於三元材料,而石墨烯由於倍率性能不好推廣受限,主要和碳納米管混合用於磷酸鐵鋰材料,因此新型電導劑市場主要以碳納米管材料為主。
3、上遊原料穩定,下遊動力電池發展帶動市場快速增長
(1)上遊方面:
碳納米管原材料主要是:NMP、丙烯、液氮和分散劑,NMP用量最大佔比超過80%。NMP主要原材料為BDO(1.4丁二醇),價格常年在1.5萬/噸左右波動;,BDO行業從2010年開始產能過剩,市場價格常年在1.2萬元/噸上下波動,因此碳納米管原材料總體價格穩定。
【圖】NMP及BDO價格情況,數據來源:生意社、wind
(2)下遊市場方面:
隨著動力電池對能量密度要求的不斷提高,三元材料將是動力電池主流選擇方向。2018年我國正極材料產量27.5萬噸,三原材料產量16.5萬噸,佔比48.3%;2019年三元材料上半年產量8.9萬噸,佔比48.7%。2019年1-11月份,新能源乘用車市場三元電池裝機比例在70%左右。碳納米管導電漿料市場受動力鋰電池及三元材料市場的增長帶動,也開啟了快速增長模式。
【圖】我國鋰電池正極材料產量預測及三元材料佔比情況,數據來源:GGII
據高工鋰電數據顯示,2018年全球動力鋰電池用碳納米管導電漿料市場產值已達8.8億元,同比增長21.2%,預計2023年產值將超45億元,未來5年複合年均增長率達40.3%。而在國內市場方面,2018年中國動力鋰電池用碳納米管導電漿料市場產值達8.5億元,同比增長19.1%,預計2023年產值將超30億元,未來5年複合年均增長率達32.0%。
【圖】全球及我國鋰電池碳納米管導電漿料產值情況,數據來源:GGII
4、製備工藝成熟,技術條件已達到工業量產階段
碳納米管的合成方法主要有電弧放電法、雷射蒸發法和化學氣相沉積法。由於化學氣相沉積法的生長溫度較低、參數易於調控、成本較低、產量較高,國內主要碳納米管生產企業均採用了基於化學氣相沉積法批量製備碳納米管的工藝。
【圖】碳納米管制備工藝對比
化學氣相沉積法又包括流化床工藝、固定床工藝、移動床工藝、浮遊催化劑法等。行業內企業由於技術來源不同,各自選擇不同的工藝路線,但由於行業整體產能還處於千噸級,未來還有較大技術進步空間。
【圖】碳納米管工藝技術
碳納米管導電漿料生產流程主要分為粉體製備和漿料製備兩個流程,由於產品純度、管徑長度及分散技術最終影響產品的性能指標,因此催化劑製備、純化及分散環節是整個生產流程的核心。導電漿料由碳納米管粉體和及其他材料混配而成,碳納米管粉體一般質量比為5%左右。
【圖】碳納米管粉體生產流程
【圖】碳納米管漿料生產流程,數據來源:天奈科技招股說明書
5、行業技術壁壘高,技術溢價明顯
新型導電劑技術迭代迅速,碳納米管實驗室技術國內已經發展至第六代。目前世界範圍內,生產碳納米管的公司規模都不大,很少有碳納米管粉體生產規模 超過千噸級的,行業競爭最重要的是產品的性能指標和技術水平,通過技術進步提高性能降低成本。目前國內碳納米管實驗室技術已經發展至第六代,其經歷了以下幾個階段:
(1)第一代,以能實現碳納米管噸級生產為主要目標,對管徑和導電性之類指 標沒有太大要求。生產的碳納米管直徑在 10-30nm 左右,通過移動床/流化床實現大批量噸級生產。
(2)第二代,通過對催化劑的調控,實現了10nm左右的碳納米管生長,生產聚團結構的碳納米管。
(3)第三代,通過層狀無機載體調控,實現碳納米管的定向結構生長,實際批量放大時碳納米管管徑在7-11nm,比表面積 230-300 平米/g。因為含矽元素,純化較複雜且電池級純化成本高。
(4)第四代,目前已逐步定型,低密度易分散小管徑碳納米管,比表面在 250-350平米/g,堆密度 0.01-0.02g/ml。因為碳納米管產物密度比較低,所以 用流化床生產過程的可控性有波動,批次差異明顯。平均管徑 8nm+。催化劑過程效率低,成本高,環保壓力大,生產成本高。
(5)第五代,低密度薄壁陳列碳納米管,蓬鬆易分散。碳納米管的層數在 2-4 層,比表面 450 平米/g,碳納米管的管徑在3-8nm,也是密度低,大約0.01-0.02g/ml,生產效率比傳統碳納米管低很多。
(6)第六代,和傳統碳納米管生產工藝兼容的小管徑薄壁碳納米管技術,兼容於傳統流化床或移動床設備,可以高效、低成本生產高導電性碳納米管,產物堆密度0.05-0.07g/ml,催化劑倍率 9-40倍之間可以調節,平均管徑6.0-7.5nm左右,可以形成多種規格。催化劑可以簡易、高效率的大批量生產,工藝環保。
而從規模化生產的角度,產品間代際差異極大。碳納米管的長徑比、碳純度作為影響碳納米管的兩個核心指標,直接決定碳納米管的導電性能,是未來技術提升的主要方向。
【圖】國內主要生產企業產品指標對比,數據來源:天奈科技招股說明書
目前市面上的主要銷售產品差異較大,新一代產品價格較高,可以享受技術溢價,如天奈科技2018年第一代產品售價2.7萬元/噸,第三代產品售價5.8萬元/噸。另外,根據下遊需求定製化產品溢價較高,如青島昊鑫,2016年NT-F1漿料售價2.16萬元/噸,2017年給比亞迪定製NS-7D等產品均價4.5萬/噸以上。
6、行業進入門檻高,新入者短時間較難趕超
碳納米管材料在國內的製備技術最早主要掌握在高校及科研機構之中,行業技術發展初期,各企業早期材料製備技術主要與高校合作為主,如清華大學與天奈科技、復旦大學與無錫東恆等,北京化工大學與三順納米等,後期隨著產業化發展,企業技術投入主要以優化工藝,提升產能,打磨產品為主。從成立時間看,主要生產企業平均進入行業時間5年以上,前期進行了大量技術積累及工藝提升,新進入者短時間內較難對現有廠家形成競爭威脅。
從市場發展需求來看,作為主要針對動力電池需求的新型導電劑,行業技術發展應符合動力電池低成本、高能量密度、高倍率等發展需求,因此導電劑材料行業的技術突破主要集中在提高長徑比、純度、分散度等指標。這要求生產企業在製備工藝、製備技術等方面具備核心技術,且進行持續研發投入,才能最終保證技術迭代能滿足下遊市場的發展需求。目前行業頭部企業產品技術已經經歷幾輪迭代,產品指標具備一定領先優勢,新入者短時間較難趕超。
從行業產業鏈特點看,下遊動力電池廠家對供應商產品質量、穩定性、一致性、持續供貨能力等考察非常嚴格,其考察周期較長,因此需要企業具備一定綜合實力,一旦進入下遊客戶供應體系後一般不會輕易更換,因此現有已經獲得下遊客戶批量採購的生產企業將保持相對穩定市場空間。
7、行業集中度高,市場格局相對穩定
行業目前成規模生產企業8家左右,行業龍頭為天奈科技,行業平均毛利40%左右。
【圖】國內主要生產廠家情況,數據來源:長城證券研究所
【圖】行業毛利情況
成本構成方面,以天奈科技為例,原材料佔比為60%左右,製造成本佔比23%左右,與鋰電行業常規成本比例(原材料佔比80%-85%左右、製造成本為12%-15%左右)相比製造成本佔比較高,未來存在一定提升空間。
【圖】2018年天奈科技成本構成
行業主要廠家成立時間較早,已經度過了前期產品定型、工藝打磨階段,目前均處於產能拓展階段。截止2018年天奈科技和青島昊鑫擁有碳納米管漿料產能1.2萬噸。天奈科技預計新增8000噸碳納米管粉體產能(1.8萬噸漿料)、青島昊鑫新增6000噸粉體產能(1.2萬噸漿料)。下遊定製化需求較多,產線切換需要周期,影響產能效率,目前行業產能利用率平均為75%左右。
【圖】行業頭部玩家產能情況(漿料)
2017年行業出貨量CR8為90%,CR3為62.90%,2018年行業出貨量CR8提升至95.1%,CR3 提升至68.00%,集中度提高。2018年國內碳納米管漿料出貨量最大的為天奈科技,第二為三順納米,第三為集越納米。CR3主要下遊為比亞迪、ATL、CATL等一線電芯廠家。
【圖】2017-2018碳納米管市場出貨量情況,數據來源:GGII
【圖】行業主要玩家客戶情況
8、應用領域廣闊,市場潛力巨大
碳納米管材料除了在正極材料電導劑領域逐步推廣外,在其他領域也有較大應用潛力。
在負極材料領域,目前行業普遍選擇「高鎳正極+矽基負極」 是固態電池技術成熟前,實現高能量密度的技術路線。但是矽基負極和傳統石墨負極相比導電性能較差,需要添加高性能導電劑來彌補此不足,目前行業內選擇碳納米管導電漿料可以解決矽基負極導電性問題。矽碳負極添加碳納米管導電劑的優勢包括:
(1)碳納米管高的機械強度能夠提高矽基負極材料結構的穩定性,在外力的作用下結構不易破壞;
(2)優異的導電性能,可彌補矽基負極導電性差的不足;
(3)碳納米管極大的比表面積可以有效緩解矽基負極在鋰離子脫嵌過程中矽材料結構的坍塌;
因此,隨時未來矽碳負極材料在市場的快速推廣應用,將拉動碳納米管材料需求。
在其他應用領域,憑藉材料本身的優異性能可在半導體、耐腐蝕材料、導電塑料、潤滑油等領域繼續拓展。
天奈科技與SABIC、道達爾、科萊恩等國際化工企業在導電塑料領域合作,研發了碳納米管導電母粒產品,已經開始小量供貨;
在半導體領域,國內2018年中科院金屬所實現米級尺寸高質量單壁碳納米管薄膜材料,並由此構建了全碳薄膜電晶體和集成電路器件;
北京大學2017年製備出基於碳管的柵長5nm的CMOS器件,並製作出了世界首個千兆赫茲的CNT集成電路,2019年將工作頻率提升至1.98GHZ,並將其應用於無線傳感器接口電路中,實現了無線溫度傳感接口系統的節能利用。
國外機構包括IBM、史丹福大學等也都在積極研發CNT在晶片領域的應用技術,預計未來一旦實現技術突破,碳納米管行業將迎來更加廣闊的市場空間。
04 投資機會與風險
1.投資機會
動力電池行業長期發展趨勢穩定,碳納米管電導劑是可以提高動力電池倍率,減少重量,技術方向符合我國動力電池高能量密度技術發展需要;
行業玩家基本平均進入行業5以上年時間,產品技術已經處於產品驗證末期,市場放量初期,部分頭部廠家已經開始批量採購;
新型電導劑市場滲透率只有31%左右,未來隨著技術迭代和成本價格下降,在正極材料領域有望替代傳統導電劑。在其他應用領域目前行業正在技術突破,並已取得關鍵進展,預計未來將拉動碳納米管市場需求。
重點關注:技術團隊較強,產品獲得客戶認可,產能處於擴張期的成熟期標的項目;在CNT製備掌握核心技術,產品指標國際領先,具備產業化推廣條件的偏早期標的項目。
2.投資風險
行業發展確定性較高,且頭部企業已經上市,行業估值存在較高風險;
行業市場相對細分,且下遊用量相對較小,如行業內產能擴張激進,市場面臨過剩風險;
部分頭部企業通過資本市場增強了資金籌措能力,預計未來兩年產能擴張實力增強,市場競爭風險加大;
動力電池產業鏈普遍存在下遊客戶集中,大客戶依賴,現金流較差等問題,未來一旦下遊主要客戶出現風險會對上遊合作企業產生較大影響。