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2018年中国新型导电剂行业建设项目、市场格局、行业国产化替代趋势分析[图]

2019年12月02日 13:21:22字号:T|T

    电池生产企业通常增加一定量的导电剂,以提高电极中锂电池电子的传输速率,从而提高锂电池的速率性能,延长锂电池的循环寿命。

    碳纳米管和石墨烯导电剂比传统导电剂具有更好的导电性和节省用量。由于空间结构、产品形态和接触面积不同,不同类型的导电剂具有不同的导电性,对锂电池的能量密度、速率性能、寿命性能和高低温性能有影响。锂电池中常用的导电剂主要包括炭黑、导电石墨、VGCF(气相生长碳纤维)、碳纳米管和石墨烯。其中,炭黑、导电石墨和VGCF属于传统的导电剂,它们与活性材料之间的每个成形点、表面或线接触形成导电网络;碳纳米管和石墨烯属于新型电极材料,分别形成线触和表面接触导电网络。在剂量方面,添加的导电剂量取决于不同电池制造商的电化学系统,电化学系统一般为正极或负极重量的1%-3%。碳纳米管导电剂的含量仅为传统导电剂的1/6-1/2,可有效增加极性活性物质的比例,从而提高电池性能。

    随着新型导电剂技术的快速迭代,碳纳米管实验室技术已发展到我国第六代。目前,全球碳纳米管生产规模并不大,少有企业碳纳米管粉末生产规模超过千吨,对于这样的精细新材料行业来说,最重要的是产品性能指标和技术水平,通过技术进步来提高性能降低成本。据报告,国内碳纳米管实验室技术已发展到第六代,经历了以下阶段:

    (1)第一代,主要目标是实现碳纳米管的吨位生产,对管径和电导率等指标没有很大需求。生产的碳纳米管直径约为10-30nm,通过移动床/流化床实现吨位生产。(2)第二代通过催化剂的调节,实现了约10纳米碳纳米管的生长,并产生了具有聚集结构的碳纳米管。(3)第三代碳纳米管的定向结构生长通过分层无机载体控制实现,碳纳米管直径为7-11纳米,实际量扩大时特定表面积为230-300m2/g。由于含有硅,纯化较为复杂,电池级纯化成本较高。(4) 第四代碳纳米管密度低,易于分散,特定表面为250-350m2/g,堆栈密度为0.01-0.02克/毫升。由于碳纳米管产品的密度相对较低,流化床生产工艺的可控性波动较大,批次差异明显。平均直径为8纳米。催化剂工艺效率低,成本高,环保压力大,生产成本高。(5)第五代,低密度薄壁显示碳纳米管,蓬松,易于分散。碳纳米管层数在2-4层,比表面高450m2/g,碳纳米管直径在3-8纳米,密度也低,约为0.01-0.02克/毫升,生产效率远低于传统碳纳米管。(6)在第六代中,薄壁碳纳米管技术与传统碳纳米管生产工艺兼容,与传统流化床或移动床设备兼容,能生产高效、低成本的高导电碳纳米管。产品堆栈密度为0.05-0.07克/毫升,催化剂比可调9-40倍。管道的平均直径约为6.0-7.5nm,可形成多种规格。催化剂可简单、高效批量生产,环保工艺。

    从大规模生产的角度看,产品之间存在着巨大的代际差异。碳纳米管的长径比、碳纯度作为影响碳纳米管的两个核心指标,直接决定着碳纳米管的导电性。目前,市场上的主要销售产品都大相径庭,如天奈科技的第二代和第三代产品、三顺纳米的GCNTs5系列、浩鑫的产品、德国纳米仪的CNT-F1系列、无锡东恒的DH-P2-5系列、纳米港的NTP3003系列在长径比控制方面均有优异的性能,而纯度方面目前主流厂商相差较大。

各导电剂厂商产品参数对比

-
产品型号
直径(nm)
长度(um)
纯度(%)
天奈科技
第一代
10-15
3-10
99.8(纯化后)
第二代
7-11
5-20
99.8(纯化后)
第三代
5-10
5-30
98.5(纯化后)
CNTs40
30-50
5-12
99.2
HCNTs10
10-20
5-12
99.5
三顺纳米
CNTs1
10-20
5-12
97.5
GCNTs5
5-10
>=15
99.2
GCNTs20
20-30
5-12
98.7
青岛昊鑫
/
8-15
10-20
98
德方纳米
NT-F1
7-12
5-10
99.99
CNT-N1
50-100
5-10
99.98
DH-S1粉末
40-60
10-20
8
DH-P1-5B浆料
50
20
98
DH-P2-5浆料
10-20
20
98
GCN168-CO2
30-60
/
97.5
金百纳
GCN18-CO1
10-25
/
97.5
GCN168-CO4
7-15
/
97.5
GCN168-COH
5-12
/
99.5
纳米港
TP3003
7-15
5-15
95
NTP3021
15-25
5-15
95

资料来源:智研咨询整理

    目前市场上的导电剂价格相差很大,产品单价从27100元/吨到58300元/吨不等。以天奈科技为例,2018年第三代产品的单价为58300元/吨,而第一代产品仅为27100元/吨。与旧产品相比,新产品具有明显的技术优势。青岛浩鑫也是如此,其2016年碳纳米管导电剂销售型号的NS-1售价为21600元/吨。2017年,NS-7D、NS-8、NS-88产品根据比亚迪汽车模型需求进行开发。新型号价格高于45000元/吨,提高了碳纳米管导电剂的整体销售价格。同时,随着产品结构的变化,生产企业年平均单价也出现较动。对于下游客户来说,新一代产品虽然价格有所上涨,但其性能提升非常明显。随着高能量密度和快速充电的实施,新产品的"高性能-价格比"将逐步体现其优势。

不同生产企业和导电剂产品销售单价比较(万元/吨)

资料来源:智研咨询整理

    由于碳纳米管导电剂产品的快速迭代,连续的研发投资是公司未来盈利能力的保证。从导电代理行业整体来看,研发投资约占营业收入的5%,其中天奈科技主要从事导电剂业务,道氏技术、德方纳米在其他领域有研发投资。

导电剂行业公司研发支出占营业收入比例

资料来源:公开资料整理

    从专利的数量和结构上,导电剂领域的专利主要分布在碳纳米管、石墨烯制备、导电浆料制备及相关设备等领域。其中,天奈科技的相关发明专利、实用新型和授权外购专利最多,其他基本处于同一水平。天奈科技公司目前已经开发并掌握了具有自主知识产权的第二代和第三代产品技术。在青岛昊鑫方面,已获得两种石墨烯和复合材料及两种石墨烯制备的专利实施许可。在三顺纳米方面,除导电剂制备方法专利是受让外,其他专利如催化剂、分散液、浆料、设备等都是自主研发的。

截至2019年10月各家主要导电剂生产厂商专利情况

资料来源:智研咨询整理

    前端碳纳米管的资本投资大,中段轻资产应用,产品附加值增长趋势明显。从单位资产投资来看,碳纳米管每万吨单位投资近40亿元(包括碳纳米管和导电膏的相应比例),项目建设期不到2年,天纳科技有限公司项目建成后,碳纳米管年销售收入74.1亿元,投资的回收期为4.21年,如果只有导电浆料的生产环节是锂电池各环节的轻环节,碳纳米管的资本投资就很高。

碳纳米管导电剂募投项目情况

公司
募投项目
投资金额
项目周期
天奈科技
3000吨碳纳米管与8000吨导电浆料及年收集450吨副产物氢项目
4.5亿元
2年
三顺纳米
10000吨碳纳米管导电浆料
4亿元
2年

资料来源:智研咨询整理

    从生产附加值来看,导电剂的生产附加值与行业初期相比呈上升趋势。在行业推广之初,相关生产企业一般以粉末的形式向锂电池制造商供应碳纳米管,但由于难以有效分散新一代碳纳米管,碳纳米管一般以导电浆料的形式引入锂电池,以提高产品的附加值。

    目前,新型导电剂在动力电池领域的渗透率仅为30%,在3C数字产业中仅为18%,因此潜力巨大。由于碳纳米管导电材料的导电性和消耗比炭黑更好,电池的循环寿命和速率性能得到了极大的提高,因此随着对能量密度和电池的循环寿命的需求增加,碳纳米管逐渐取代炭黑作为动力锂电池的主流导电剂。根据统计,2014-2018年碳纳米管导电剂在动力电池领域的渗透率从13.6%提高到31.8%。碳纳米管导电剂作为关键辅助材料,与其他主要材料相比,渗透性大大提高。在3C数字锂电池领域,2018年碳纳米管导电浆料的渗透率仅为18.0%,潜在渗透空间较大。

    长直径比、更好的分散度和更高的生产效率是新型导电剂未来的发展方向。从目前的技术发展路径来看,国外碳纳米管导电剂制造商的技术途径是制备高纵横比、纯度更高的碳纳米管,同时,市场上的碳纳米管基本上是多壁碳纳米管,单壁碳纳米管直径小,长直径比较大,性能较好,是碳纳米管未来研发的方向。由于碳纳米管的应用仍处于快速替代阶段,自身技术迭代仍在加速,目前没有其他替代品。
 

    碳纳米管属于新型碳纳米材料,一方面下游应用对产品指标有更高的要求,生产企业需要具有较高的技术水平,对纵横比、纯度和分散度有更高的要求。另一方面,下游锂电池企业对供应商有严格的优先级顺序,对产品质量、稳定性、一致性和持续供应能力进行全面评估,验证周期长,以上两点为行业形成了较高的技术和资金壁垒。从出货量来看,行业继续呈现集中化趋势,2017年行业CR8为90%,CR3为62.90%,2018年行业CR8为95.1%,CR3提升至68.00%。

2018 年中国碳纳米管导电浆料出货量格局

资料来源:智研咨询整理

    相关报告:智研咨询发布的《2020-2026年中国导电剂行业市场供需模式及发展前景规划报告

    国产化程度高,传统的导电剂不断导入和更换。在碳纳米管等新型导电剂出现之前,碳黑、导电石墨、VGCF等常规导电剂在锂电池中广泛使用,而主流的SP、乙烯黑、科琴黑、KS、VGCF主要来自Cabot、TIMCAL 、LION、日本电气化学、日本昭和电工等国外企业,国内新型导电剂中长期依赖进口。国产碳纳米管导电剂的推广,改变了锂电池导电剂依赖进口的局面。据统计,2018年中国锂电池导电剂行业国产化率为31.2%,较2017年提高3个百分点。

中国锂电池导电剂国产化率变化情况

资料来源:智研咨询整理

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