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导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能,作为锂离子电池的重要组成部分,虽然在电池中所占比例较少,但是能有效地提高电池电导率,从而提高锂电池的速率性能,延长锂电池的循环寿命。
根据材料的结构,导电剂可分为传统导电剂和新型导电剂,传统导电剂包括导电炭黑和导电石墨等,新型导电剂包括碳纳米管和石墨烯导电剂。目前,以炭黑在导电剂中的渗透率最高为50%,其次是碳纳米管,渗透率为31.8%。
新型电导剂市场在电导剂市场渗透率为31.2%。其中,碳纳米管主要用于三元材料,是新型导电剂的主要发展方向。市场发展方面,由于技术发展时间较短,产品验证时期较长,国内CATL、BYD、ATL、国轩高科等部分厂家已经开始批量采购,其他厂家还处于技术评估和产品验证阶段。其中,比亚迪、国轩高科、亿纬锂能、孚能科技等厂商通过添加一定比例的碳纳米管掺杂的导电剂能够有效提升电池循环寿命、倍率性能以及能量密度,直接推动了碳纳米管导电剂的渗透。
碳纳米管发展历程:据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国碳纳米管导电剂市场研究及投资建议预测报告》统计数据显示:新型导电剂技术迭代迅速,碳纳米管实验室技术国内已经发展至第六代。目前世界范围内,生产碳纳米管的公司规模都不大,很少有碳纳米管粉体生产规模 超过千吨级的,行业竞争最重要的是产品的性能指标和技术水平,通过技术进步提高性能降低成本。目前国内碳纳米管实验室技术已经发展至第六代,其经历了以下几个阶段:
(1)第一代:以能实现碳纳米管吨级生产为主要目标,对管径和导电性之类指 标没有太大要求。生产的碳纳米管直径在 10-30nm 左右,通过移动床/流化床实现大批量吨级生产。
(2)第二代:通过对催化剂的调控,实现了10nm左右的碳纳米管生长,生产聚团结构的碳纳米管。
(3)第三代:通过层状无机载体调控,实现碳纳米管的定向结构生长,实际批量放大时碳纳米管管径在7-11nm,比表面积 230-300 平米/g。因为含硅元素,纯化较复杂且电池级纯化成本高。
(4)第四代:目前已逐步定型,低密度易分散小管径碳纳米管,比表面在 250-350平米/g,堆密度 0.01-0.02g/ml。因为碳纳米管产物密度比较低,所以 用流化床生产过程的可控性有波动,批次差异明显。平均管径 8nm+。催化剂过程效率低,成本高,环保压力大,生产成本高。
(5)第五代:低密度薄壁陈列碳纳米管,蓬松易分散。碳纳米管的层数在 2-4 层,比表面 450 平米/g,碳纳米管的管径在3-8nm,也是密度低,大约0.01-0.02g/ml,生产效率比传统碳纳米管低很多。
(6)第六代:和传统碳纳米管生产工艺兼容的小管径薄壁碳纳米管技术,兼容于传统流化床或移动床设备,可以高效、低成本生产高导电性碳纳米管,产物堆密度0.05-0.07g/ml,催化剂倍率 9-40倍之间可以调节,平均管径6.0-7.5nm左右,可以形成多种规格。催化剂可以简易、高效率的大批量生产,工艺环保。
市场价格:目前碳纳米管市面上的主要销售产品差异较大,新一代产品价格较高,可以享受技术溢价,如天奈科技2018年第一代产品售价2.7万元/吨,第三代产品售价5.8万元/吨。另外,根据下游需求定制化产品溢价较高,如青岛昊鑫,2016年NT-F1浆料售价2.16万元/吨,2017年给比亚迪定制NS-7D等产品均价4.5万/吨以上。
主要生产企业:目前,国内规模以上碳纳米管企业约有8家,其种,天奈科技公司平均毛利40%左右。其他企业主要有青岛昊鑫新能源科技有限公司、江苏天奈科技股份有限公司、深圳市三顺纳米新材料股份有限公司、深圳市德方纳米科技股份有限公司、无锡东恒新能源科技有限公司、深圳市金百纳米科技有限公司、深圳市纳米港有限公司等。
产业空间:碳纳米管材料在国内的制备技术最早主要掌握在高校及科研机构之中,行业技术发展初期,各企业早期材料制备技术主要与高校合作为主,如清华大学与天奈科技、复旦大学与无锡东恒等,北京化工大学与三顺纳米等,后期随着产业化发展,企业技术投入主要以优化工艺,提升产能,打磨产品为主。从成立时间看,主要生产企业平均进入行业时间5年以上,前期进行了大量技术积累及工艺提升,新进入者短时间内较难对现有厂家形成竞争威胁。
从市场发展需求来看,作为主要针对动力电池需求的新型导电剂,行业技术发展应符合动力电池低成本、高能量密度、高倍率等发展需求,因此导电剂材料行业的技术突破主要集中在提高长径比、纯度、分散度等指标。这要求生产企业在制备工艺、制备技术等方面具备核心技术,且进行持续研发投入,才能最终保证技术迭代能满足下游市场的发展需求。目前行业头部企业产品技术已经经历几轮迭代,产品指标具备一定领先优势,新入者短时间较难赶超。
从行业产业链特点看,下游动力电池厂家对供应商产品质量、稳定性、一致性、持续供货能力等考察非常严格,其考察周期较长,因此需要企业具备一定综合实力,一旦进入下游客户供应体系后一般不会轻易更换,因此现有已经获得下游客户批量采购的生产企业将保持相对稳定市场空间。
而从规模化生产的角度来看,产品间代际差异极大。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,直接决定碳纳米管的导电性能,是未来技术提升的主要方向。同时,导电剂作为电池的关键辅材,主要用于提高电池倍率性能、增加循环寿命,由于其不能增加能量密度,随着技术创新电芯对其用量呈下降趋势,一般占锂电池成本5%左右,预计到2022年行业总规模将达到290亿元。