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2019年中国CNT导电剂行业性能优势、市场空间预测及企业经营对比:预计2022年CNT导电浆料市场将突破10万吨[图]

2020年06月18日 13:41:06字号:T|T

    CNT是一种新型碳结构材料,微观外形是同轴圆管,管壁为数层呈正六边形结构的碳原子。碳纳米管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的无缝纳米级管状石墨晶体,最早于1991年由日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。基本单元为六边形碳环结构,一般径向尺寸(沿管)为微米量级,轴向尺寸(横截面)为纳米级,因此被称为碳纳米管。CNT具有优异的电学、力学、化学等性能,在多项领域中显示出巨大的应用潜能。

    一、CNT导电剂行业性能优势

    碳纳米管具有优良的物化性质:1)高力学性能:碳原子化学键间的120度夹角(键角)符合杂化成键(SP2杂化)的最佳角度,因而微观结构上具有很强稳定性,材料表现高力学性能。按理论计算,碳纳米管的强度可为钢的100倍,而密度只有钢的1/6。2)高导电导热:碳原子最外层是4个电子,当每个碳原子提供一个电子与另外三个碳原子成键之后,剩下的一个电子变为游离态,脱离单个碳原子的束缚在结构内自由运动,显示金属一般的导电性,理论上碳纳米管导电性能仅次于超导体。导热分为电子导热和声子导热,而声子导热主要取决于材料刚性,因而材料的导热性能也十分优异,理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料,其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍。3)高化学稳定性:碳纳米管化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性。

CNT主要性能优势

-
性能优势
力学优势
由于CNTs由经SP2杂化形成的C=C共价键组成,相比SP3杂化,SP2杂化中S轨道成分比较大,使CNTs具有高模量、高强度。CNTs的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸,因而被称“超级纤维”。碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。按理论计算,碳纳米管的强度可为钢的100倍,而密度只有钢的1/6。碳纳米管还有极高的韧性,硬而不脆,当外部施加巨大的压力时,碳纳米管会发生弯曲、打卷绞结的情况,但是不会断裂;当外力释放后,碳纳米管又将恢复原状。
电学优势
碳纳米管具有良好的电学性能,碳纳米管的碳原子以正六边形的微观形式组成基础单元结构,这种结构下共轭效应显著,电子可以脱离单个碳原子的束缚而在较大范围内自由运动。理论上碳纳米管导电性能仅次于超导体。电子通过碳纳米管时不会产生热量,因此能量损失微小,其导电性能优于常规导电材料。CNTs的结构与石墨的片层结构相同,因此也具备良好的电学性能。理论预测CNTs的导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时,导电性能下降;当管径小于6nm时,CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。按照结构不同,CNTs约有1/3是金属导电型、2/3是半导体型。金属型SWNTs和MWNTs均是弹道式导体,通过大电流时不产生热量,SWNTs可以承受的电流密度高达1GA/cm2。
热学优势
碳纳米管具有优异的导热性能,可以沿管长方向迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料,其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍。
化学稳定性
碳纳米管化学性质稳定,具有耐酸性和耐碱性。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,可以应用于航天、航空、国防、军工等领域。

数据来源:公开资料整理

    材料性质决定了产品用途。与导电性能、力学性能、导热性能对应的,碳纳米管被作为导电剂、增强材料、导热剂在产业界具有广阔的运用场景,形成了较为广阔的市场。1)增强材料:碳纳米管具有与金刚石相当的硬度、较好的柔韧性。同时其长径比很高,非常适合作为“超级纤维”。若以其他工程材料作为基体,掺杂碳纳米管形成复合材料,可广泛运用于航空航天、国防军工等高精尖领域。2)添加剂:将碳纳米管添加到润滑油中,纳米微粒能分布在摩擦界面起到微轴承的作用,进一步改善润滑性能,减小摩擦。3)防腐剂:碳纳米管微观结构具有强化学稳定性,能够掺杂在涂料里达到防腐效果,减少因腐蚀带来的损失。但以上用途目前仍只在较小范围内使用,主要受到航空航天、国防等高精尖产业关注,预计短期内不会达到大面积工业商用的地步。4)导电剂:作为一种良好的导电体,添加碳纳米管导电剂来减小电子传输的阻力,增加活性物质之间的导电接触,提升锂电池中电子在电极中的传输速率,从而提升锂电池的倍率性能和改善循环寿命。

    传统导电剂价格低但大量依赖进口,新型导电剂国内技术开发处于第一梯队。锂电池目前常用的导电剂主要包括传统导电剂(如炭黑、导电石墨、碳纤维等)和新型导电剂(如碳纳米管、石墨烯及其混合导电浆料等)。炭黑是目前最为广泛使用的导电剂,价格低廉但较大依赖进口。

不同导电剂的阻抗性能对比

导电剂种类
组分比
EIS
SP(传统炭黑)
/
0.1
KB(科琴黑)
/
87.5
CNTs(碳纳米管)
/
49.4
GN(石墨烯)
/
286.2
SP+KB
1:1
52.7
SP+CNTs
3:2
55.3
SP+GN
5:1
43.2
CNTs+GN
3:2
22.8
SP+CNTs+GN
67:30:3
50.4

数据来源:公开资料整理

    二、CNT导电剂行业市场空间预测

    锂电池导电剂主要在应用正极材料及负极材料中,尤其是LFP,NCM及硅碳负极一般都需要配合导电剂尤其是CNT导电剂使用。CNT导电剂对锂电池综合性能明显提升,同时CNT量产规模不断扩大促进成本逐步下行,在锂电池中的性价比逐步体现,未来其渗透率将逐步提升。预计未来3年CNT导电剂在动力电池导电剂中的渗透率将超过65%,在3C消费电池中的渗透率将超过28%,整体市场空间将在现有基础上增长3倍以上。

    1)正极领域,一般LFP掺配比例为1.0-1.5w.t%,NCM及LCO为0.5-1.0w.t%,随着电池厂对导电剂要求的提高,CNT渗透率提升。碳纳米管导电浆料在动力锂电池领域的不断渗透,替代炭黑趋势愈发明显。预计2022年CNT在动力电池导电剂中的渗透率将超过65%。

动力电池领域各类导电剂渗透率

数据来源:公开资料整理

碳纳米管在动力电池领域渗透率

数据来源:公开资料整理

    “无绳化”推动3C锂电池导电性能要求的提升,CNT导电剂渗透率稳定增长。2018年碳纳米管导电浆料在数码电池中渗透率达18.0%,预计到2022年CNT渗透率将超过28%。

3C电池领域各类导电剂渗透率

数据来源:公开资料整理

碳纳米管在3C电池领域渗透率

数据来源:公开资料整理

    2)负极领域,CNT导电剂更匹配硅基化趋势,其掺配比例随着硅比例的提升而提升,以1.5%作为保守测算比例。

    负极硅基化趋势确定,硅基材料体系需要大量导电剂。石墨材料的理论克容量为372mAh/g(每6个碳原子嵌入1个锂离子,形成LiC6结构),目前高端产品已经达到360-365mAh/g,接近理论容量,石墨负极材料逐步达到上限。因此需要更高能量密度的新材料来应对需求。其中,硅材料最能够满足人们更高能量密度的需求(形成Li22Si5,理论克容量为4200mAh/g)。未来随着动力电池能量密度要求的提高,硅碳负极搭配高镍三元材料的体系成为发展趋势。未来两年,随着高镍三元材料NCM811、NCA及其他配套材料的技术逐渐成熟,硅碳负极的产业化即将到来。由于硅原子的加入大大降低了导电性,因此硅碳负极与目前的正极材料一样必须加入导电剂。

    CNT导电剂是硅基负极中匹配最好的导电剂:1)优异的导电性弥补了硅原子带来的不足。2)硅碳负极需要解决热膨胀问题才可使用,因此其束缚结构稳定性至关重要,而碳纳米管具有很好的化学稳定性。3)极大的比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。

锂电池负极量测算(万吨)

数据来源:公开资料整理

    3)CNT导电浆料市场未来三年将突破10万吨,对应市场空间超过40亿元

    随着动力电池、3C电池、储能电池的蓬勃发展,CNT导电剂渗透率的不断提升,CNT从正极LFP,NCM到硅基负极体系的不断渗透。

    智研咨询发布的《2020-2026年中国碳纳米管(CNTS)产业运营现状及发展前景分析报告》数据显示:预计到2022年,CNT导电浆料市场将突破10万吨,对应市场空间超过40亿元,将在2019年约2.8万吨的基础上增长3倍。

锂电池导电浆料用量测算(万吨)

数据来源:公开资料整理

    三、CNT导电剂行业企业经营对比

    CNT行业格局稳定,集中度高,天奈科技在CNT市场近三年均处于行业第一,市场占有率约30%。目前CNT市场空间在10亿元左右,CR5集中度超85%,格局稳定集中度高。CNT行业有较高的技术要求,进入壁垒较高。小市场及高壁垒造成了目前的市场格局集中度较高。2019年由于下游新能源汽车需求不及预期,CNT行业集中度进一步提升,CNT导电浆料TOP5企业出货量占比进一步提升至92.8%。CNT行业前五名是天奈科技、三顺纳米、青岛昊鑫、集越纳米及德方纳米。

主要新型锂电导电剂厂商收入(万)

数据来源:公开资料整理

主要新型锂电导电剂毛利率

数据来源:公开资料整理

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