鈉離子電池硬碳材料行業(yè)分析報(bào)告供給與需求有望形成共振

鈉離子電池硬碳材料行業(yè)分析報(bào)告-供給與需求有望形成共振1.鈉電產(chǎn)業(yè)鏈初步成型，負(fù)極材料換新，硬碳為當(dāng)下主流1.1.無懼碳酸鋰價(jià)格調(diào)整，鈉電產(chǎn)業(yè)鏈布局成型碳酸鋰價(jià)格短期調(diào)整，影響鈉電行業(yè)2023年定價(jià)水平，不改行業(yè)加速趨勢。受動力電池行業(yè)需求季節(jié)性波動影響，近期碳酸鋰價(jià)格持續(xù)回落，2022年底電池級碳酸鋰含稅價(jià)降至51.75萬元/噸。但碳酸鋰供需關(guān)系并未顯著轉(zhuǎn)變，2023年價(jià)格或仍運(yùn)行在40萬元/噸以上。參考?xì)v史數(shù)據(jù)，在電池級碳酸鋰價(jià)格為40萬元/噸時(shí)，方形儲能LFP電芯、方形動力LFP電芯、電動自行車LFP48V24Ah模組單價(jià)分別為0.98/0.78/0.95元/Wh。假設(shè)鈉電定價(jià)比LFP低20%，粗略估算各場景下對應(yīng)鈉電電芯（模組）定價(jià)分別為0.78/0.62/0.76元/Wh，定價(jià)具備可行性。負(fù)極材料產(chǎn)能短缺構(gòu)成目前行業(yè)發(fā)展瓶頸，隨著佰思格2000噸產(chǎn)線投產(chǎn)，鈉電產(chǎn)業(yè)鏈初步成型。鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈除負(fù)極材料外，基本兼容鈉離子電池。面對強(qiáng)勁需求，負(fù)極材料存在產(chǎn)能短板。行業(yè)內(nèi)日本可樂麗硬碳材料單噸售價(jià)20萬以上，不支撐鈉電行業(yè)發(fā)展。2022年3月，中科海鈉&華陽股份低成本無煙煤基負(fù)極材料2000噸產(chǎn)能投產(chǎn)，但主要為自供。2022年11月底，佰思格2000噸硬碳產(chǎn)線投產(chǎn)，高端/低端產(chǎn)品售價(jià)分別為8/6萬元/噸，公司訂單飽滿，補(bǔ)齊產(chǎn)業(yè)鏈短板。1.2.兩輪車&低續(xù)航電動車領(lǐng)域鈉電先行，硬碳成為主流負(fù)極材料碳基類負(fù)極材料最具商業(yè)化應(yīng)用潛力。鈉離子電池負(fù)極材料主要有碳基材料、鈦基化合物、合金材料、金屬化合物等。其中合金材料和金屬氧化物材料循環(huán)過程中會出現(xiàn)較大體積變化，循環(huán)性能有待提高；鈦基化合物負(fù)極電池能量密度相對有限。碳基材料中，傳統(tǒng)石墨作為商業(yè)化鋰離子電池體系最常用的負(fù)極材料，由于熱力學(xué)原因，鈉離子無法嵌入到石墨層間與碳形成穩(wěn)定的化合物，因此石墨難以作為鈉電負(fù)極材料。層間距較大的無定形碳（軟碳、硬碳）具有較高儲鈉容量、較低儲鈉電位、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，應(yīng)用前景良好。當(dāng)下鈉離子電池性能基本滿足兩輪電動車及低續(xù)航電動車要求，下游客戶需求明確。目前鈉電行業(yè)中試電芯性能，大體范圍落在能量密度100-160Wh/kg（接近磷酸鐵鋰電芯140-180Wh/kg），循環(huán)壽命1500-5000次區(qū)間。下游需求方面，低速電動車循環(huán)壽命>1300次，電動車主機(jī)廠要求循環(huán)壽命>2000次，儲能壽命>8000次（戶儲及國內(nèi)強(qiáng)制配儲一般4000-5000次）?；陔娦拘阅芮闆r及產(chǎn)品認(rèn)證進(jìn)展，鈉電有望率先在兩輪車上量產(chǎn)應(yīng)用。電動車方面，部分廠商正在/即將進(jìn)行整車冬測，兩輪車鈉電量產(chǎn)成本影響車企實(shí)際裝機(jī)需求。鈉電高能量密度應(yīng)用領(lǐng)域決定硬碳成為主流，極致成本追求并非行業(yè)當(dāng)下主旋律。目前鈉電產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)落在兩輪車和低續(xù)航電動車領(lǐng)域，縮小鈉電電芯與LFP電芯能量密度差距為行業(yè)首要任務(wù)。主流材料廠商量產(chǎn)的層狀氧化物正極材料克容量約為140mAh/g（LFP克容量150mAh/g），量產(chǎn)的軟碳/硬碳克容量分別為220mAh/g

（首效約82%）和280-320mAh/g（首效85-88%）（石墨克容量310-360mAh/g）。以NaCP10/64/165軟包為例，將負(fù)極材料克容量從300~310mAh/g簡單替換為220mAh/g后，能量密度從約153Wh/kg降至約136Wh/kg（下降約11%），假設(shè)兩種負(fù)極材料售價(jià)分別為8/3.5萬元/噸，軟碳電芯W(wǎng)h成本下降約0.01元，較低首效影響正極容量發(fā)揮，Wh成本下降有限。2.八仙過海各顯神通，生物質(zhì)前驅(qū)體更勝一籌2.1.前驅(qū)體與硬碳微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)性高，關(guān)系硬碳材料性能硬碳重要性能參數(shù)包含比容量、首次效率、壓實(shí)密度、循環(huán)性能等，硬碳主要通過在平行碳層之間嵌入、微孔中填充、碳層表面&邊緣或缺陷位置吸附儲鈉，硬碳的微觀結(jié)構(gòu)及表面狀態(tài)直接影響硬碳材料性能。硬碳前驅(qū)體同硬碳微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)性較高。硬碳形成過程通常經(jīng)過熱解（芳構(gòu)化、縮聚）和炭化（石墨層形成、碳層長大）過程。高溫?zé)峤膺^程中發(fā)生的反應(yīng)跟硬碳的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，前驅(qū)體中的大分子結(jié)構(gòu)在熱處理時(shí)會持續(xù)存在，不會像石墨化碳一樣轉(zhuǎn)化為流體相，形成的硬碳與母體具有類似的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)。2.2.生物質(zhì)基硬碳路線具備綜合性價(jià)比，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程居前硬碳前驅(qū)體部分決定硬碳材料性能，前驅(qū)體分為化石燃料基、樹脂基、生物質(zhì)基。樹脂基硬碳性能優(yōu)異、一致性好，得益于能夠精細(xì)調(diào)控孔徑結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)性質(zhì)以及活性位點(diǎn)；缺點(diǎn)是成本偏高；化石燃料基前驅(qū)體來源廣泛、炭產(chǎn)率高，原材料成本端占優(yōu)；但是直接碳化容易得到軟碳，制備硬碳時(shí)，需要在碳化前預(yù)氧化，目前工藝不成熟、克容量偏低；生物質(zhì)基前驅(qū)體具備獨(dú)特微觀結(jié)構(gòu)，本身具備自摻雜效應(yīng)（煅燒后含少量氮、磷、硫元素），活性點(diǎn)位多，成本、性能居中。生物質(zhì)衍生硬碳分為植物器官類衍生物、生物提取物衍生物和生物廢料類衍生物。碳儲鈉性能提升策略趨同。簡單制備硬碳材料通常具備較低的電極電位和首次庫倫效率以及較差的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。主要通過以下策略提升硬碳儲鈉性能：

通過調(diào)控前驅(qū)體的合成以及熱解過程，在微觀上調(diào)控硬碳的孔隙結(jié)構(gòu)和層間距；

與其他材料的包覆和復(fù)合、雜原子摻雜等來調(diào)控材料的缺陷程度和層間距；

電解液的調(diào)控以及預(yù)鈉化的處理。硬碳制備工藝通常分為前驅(qū)體預(yù)處理、碳化、后處理三部分，針對不同前驅(qū)體獨(dú)有特點(diǎn)，硬碳生產(chǎn)工藝略有區(qū)別：

瀝青直接碳化易于形成軟碳，杉杉股份專利采用了交聯(lián)劑使瀝青發(fā)生交聯(lián)聚合反應(yīng)，然后進(jìn)行碳化處理；

酚醛樹脂固化后進(jìn)行碳化，貝特瑞專利增加了包覆工序，提高首次庫倫效率；

秸稈直接碳化碳收率偏低，圣泉集團(tuán)加入生物溶劑進(jìn)行分子重排，提升碳收率；椰殼在碳化后，可樂麗增加了CVD處理工序，產(chǎn)品首次庫倫效率提升顯著，同時(shí)極大增加了生產(chǎn)成本；

淀粉純度較高，佰思格專利包含雜原子摻雜工序，增加產(chǎn)品克容量，前驅(qū)體碳化后同可樂麗一樣，增加了表面改性工序；

毛竹較椰殼灰分含量高，預(yù)燒成竹炭后進(jìn)行酸洗，隨后碳化出處理。鈉電負(fù)極材料多種技術(shù)路線并行，生物質(zhì)基硬碳產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程居前。傳統(tǒng)負(fù)極材料廠商在生物質(zhì)基、化石燃料基、樹脂基硬碳基本均有布局，起步較早，技術(shù)儲備雄厚。新進(jìn)參與者以生物質(zhì)基為主，充分發(fā)揮自身資源、渠道端優(yōu)勢。此外，華陽股份&中科海鈉布局低成本無煙煤基軟碳（同樣具備較高無序度）。目前生物質(zhì)基路線產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較快，已量產(chǎn)的可樂麗和佰思格均為該路線，我們預(yù)估2023年由第三方硬碳供應(yīng)商提供的有效產(chǎn)能合計(jì)達(dá)1.55萬噸（對應(yīng)約10GWh電芯），其中明確為生物質(zhì)基技術(shù)路線的有1.3萬噸。3.性能、綜合成本及量產(chǎn)可行性決定生物質(zhì)前驅(qū)體選擇3.1.椰殼、淀粉、竹子、秸稈路線產(chǎn)品性能、成本不存在顯著差異椰殼、淀粉、竹子、秸稈四種生物質(zhì)前驅(qū)體制備的硬碳材料產(chǎn)品性能優(yōu)異。當(dāng)下縮小鈉電電芯與LFP電芯能量密度差距為行業(yè)首要任務(wù)，高克容量、高首效、高壓實(shí)為硬碳材料開發(fā)目標(biāo)。從產(chǎn)品性能看，椰殼、淀粉、竹子、秸稈制備的硬碳材料產(chǎn)品克容量普遍高于300mAh/g，首效高于85%。通過CVD法表面處理，日本可樂麗椰殼基硬碳產(chǎn)品首效、壓實(shí)密度、充放電倍率性能良好。通過元素均勻摻雜，淀粉克容量提升顯著。生物質(zhì)前驅(qū)體綜合成本居中，椰殼、淀粉、秸稈、竹子制備硬碳成本不存在顯著差異。

制造費(fèi)用&直接人工成本端，前驅(qū)體預(yù)處理及碳化工序制造費(fèi)用較低，由于各類前驅(qū)體（無煙煤除外）均存在特殊工序，假設(shè)制造費(fèi)用+人工成本均為2.5萬元，采用CVD法進(jìn)行表面處理成本較高，假設(shè)制造成本額外增加5萬元。原材料成本端，除酚醛樹脂、無煙煤外，其余路線原材料成本差異有限。3.2.原材料供應(yīng)穩(wěn)定及一致性構(gòu)成生物質(zhì)基硬碳量產(chǎn)瓶頸生物質(zhì)前驅(qū)體產(chǎn)業(yè)化需解決供應(yīng)穩(wěn)定性以及一致性問題，保障材料結(jié)構(gòu)一致性是保障電池系統(tǒng)循環(huán)壽命和安全性的基礎(chǔ)。不同產(chǎn)地和批次的生物質(zhì)往往不具有一致性，而硬碳材料的結(jié)構(gòu)依賴于前驅(qū)體的狀態(tài)和碳化工藝，只有保障前驅(qū)體具有高度一致性，碳化過程中受熱非常均勻，才能保障最終硬碳材料產(chǎn)物的一致性。3.2.1.椰殼：農(nóng)業(yè)廢棄物，主要供給來自南亞、東南亞，或存進(jìn)口依賴椰殼為椰子的內(nèi)果皮，質(zhì)地堅(jiān)硬，一般被用于生產(chǎn)制作器皿、工藝品和活性炭。椰殼基硬碳孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，灰分含量及H/C與O/C比低，是一種較理想的負(fù)極材料，目前產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較早，且性能較好。椰殼作為一種生物質(zhì)廢棄物，產(chǎn)量受限于椰子產(chǎn)量。椰子的主要產(chǎn)區(qū)為斯里蘭卡、馬來西亞、印度和菲律賓等，我國海南、臺灣等地區(qū)有少量種植，其中海南省栽種面積國內(nèi)占比超過99%。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，2021年全球椰殼產(chǎn)量128.76萬噸；2021年國內(nèi)椰子產(chǎn)量39.23萬噸，按椰殼12%的質(zhì)量占比推算，我國椰殼產(chǎn)量不超過4.71萬噸。國內(nèi)椰殼產(chǎn)量難以滿足硬碳產(chǎn)業(yè)化需求，椰殼路線未來存在原材料進(jìn)口依賴。一般認(rèn)為椰殼生產(chǎn)硬碳的得率為20%-25%，1GWh電池的硬碳負(fù)極需求量約為1500噸，所以國內(nèi)椰殼的年生產(chǎn)潛力最多滿足約6GWh電池的使用量。此外我國海南省相較于菲律賓、印尼等椰子產(chǎn)區(qū)，緯度更高，日照時(shí)間及強(qiáng)度較弱，所產(chǎn)椰殼較薄，硬度偏低，并不是制造椰殼炭化料的最佳材料，東南亞產(chǎn)椰殼一般為企業(yè)首選。3.2.2.淀粉：工業(yè)品，純度較高，能夠保障產(chǎn)品一致性淀粉是最豐富的可再生生物材料之一，廣泛存在于多種植物中。作為一種典型的多糖，淀粉成分簡單，含碳量高，價(jià)格低廉，同時(shí)，相較于其他生物質(zhì)前驅(qū)體，淀粉表現(xiàn)出的天然球形型態(tài)使其成為制備硬碳極具競爭力的前驅(qū)體材料。佰思格量產(chǎn)路線選擇淀粉、蔗糖為前驅(qū)體，產(chǎn)品克容量及首效等指標(biāo)優(yōu)異，性能位居行業(yè)前列。淀粉作為工業(yè)品，國內(nèi)供給充足，純度較高。我國淀粉年產(chǎn)量大，2020年國內(nèi)淀粉產(chǎn)量達(dá)3389萬噸，且生產(chǎn)廠家數(shù)量較多，市場供應(yīng)充足穩(wěn)定，不存在單一供應(yīng)商風(fēng)險(xiǎn)。淀粉是有機(jī)高分子碳水化合物，純度較高。有機(jī)高分子化合物作為硬碳碳源時(shí)，可以結(jié)合特定的合成方法得到具有特殊形貌的硬碳材料，合成工藝往往較為復(fù)雜，但能夠避免雜質(zhì)，保障結(jié)構(gòu)的一致性。3.2.3.毛竹：生長周期短的可再生資源，活性炭廠家入場，毛竹路線值得期待毛竹是禾木科剛竹屬植物，竿型粗大，生長快，經(jīng)5-8年生長材質(zhì)即可穩(wěn)定，是竹類中經(jīng)濟(jì)價(jià)值最高的竹種，廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)、造紙業(yè)及其他領(lǐng)域。中國竹林資源豐富。中國是毛竹的故鄉(xiāng)且產(chǎn)量最豐，第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示，我國竹林面積為641.16萬公頃，其中毛竹林占比72.96%。毛竹在我國主要分布于秦嶺漢水流域和長江流域以南地區(qū)，其中福建省2020年竹材產(chǎn)量以9.57億根，占比29.51%位居第一。根據(jù)《中國林木剩余物數(shù)量估算》，以150噸/萬株的平均重量為標(biāo)準(zhǔn)，推測國內(nèi)2020年竹材產(chǎn)量為4864.5萬噸?；钚蕴颗c硬碳原材料、制備工藝相近，鈉電行業(yè)空間廣闊，活性炭龍頭企業(yè)入場。硬碳制備工藝通常分為前驅(qū)體預(yù)處理、碳化、后處理三部分，其中以硬碳前驅(qū)體為原材料（椰殼炭、竹炭、生物炭等）的工藝路線與人造石墨相接近，但無需石墨化工序?；钚蕴恐苽涔に囃ǔ０牧咸幚怼⒒罨?、碳化等工序，與硬碳制備前段工序重合度較高，但無需造孔的活化工序。通常竹子等生物質(zhì)基硬碳制備過程不含后處理工序，活性炭與硬碳制備工藝相近。國內(nèi)活性炭龍頭元力股份宣布已攻克毛竹基硬碳路線，公司未來硬碳生產(chǎn)將以毛竹為主。資源富集區(qū)企業(yè)憑借原材料渠道能力解決一致性問題值得期待。元力股份位于福建南平，周圍多毛竹產(chǎn)區(qū)（建甌、順昌、尤溪等）。相似地理環(huán)境下毛竹供應(yīng)充足，可以有效緩解硬碳前驅(qū)體原材料的一致性問題。3.2.4.秸稈：農(nóng)業(yè)廢棄物，資源豐富，“生物溶劑法”有望解決一致性問題秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物，資源豐富。中國是農(nóng)業(yè)大國，小麥、玉米和水稻等高產(chǎn)量農(nóng)作物每年提供巨量的生物質(zhì)秸稈資源。2020年國內(nèi)農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)量為7.92億噸，其中可收集資源量達(dá)6.67億噸。秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物，長期以來主要被應(yīng)用于取暖能源、家畜飼料和有機(jī)肥料等方面，其中肥料化利用占比最高，2020年占比51.2%。生物溶劑法有望解決秸稈原材料一致性問題。圣泉集團(tuán)利用“圣泉生物溶劑法”生物質(zhì)精煉技術(shù)，將秸稈中碳含量高且易于成炭的木質(zhì)素、部分半纖維素和纖維素組分有選擇性的溶劑到生物溶劑中，在生物溶劑中發(fā)生分子間重排及分子內(nèi)重排，在重排中，遷移分子或基團(tuán)完全游離并脫離原來的體系，然后與新體系進(jìn)行重新排列連接。通過重排等分子設(shè)計(jì)手段按照工藝要求進(jìn)行樹脂化形成生物基樹脂，進(jìn)一步加工成生物炭作為硬碳前驅(qū)體