钠离子电池硬碳材料行业分析报告：供给与需求有望形成共振！
1.钠电产业链初步成型，负极材料换新，硬碳为当下主流 碳酸锂价格短期调整，影响钠电行业 2023 年定价水平，不改行业加速趋势。受动力电池行业需求季节性波动影响，近期碳酸锂价格持续回落，2022 年底电池级碳酸 锂含税价降至 51.75 万元/吨。但碳酸锂供需关系并未显著转变，2023 年价格或仍运行在 40 万元/吨以上。参考历史数据，在电池级碳酸锂价格为 40 万元/吨时，方形 储能 LFP 电芯、方形动力 LFP 电芯、电动自行车 LFP48V24Ah 模组单价分别为 0.98/0.78/0.95 元/Wh。假设钠电定价比 LFP 低 20%，粗略估算各场景下对应钠电电 芯（模组）定价分别为 0.78/0.62/0.76 元/Wh，定价具备可行性。 负极材料产能短缺构成目前行业发展瓶颈，随着佰思格 2000 吨产线投产，钠电产 业链初步成型。锂离子电池产业链除负极材料外，基本兼容钠离子电池。面对强劲 需求，负极材料存在产能短板。行业内日本可乐丽硬碳材料单吨售价 20 万以上，不 支撑钠电行业发展。2022 年 3 月，中科海钠&华阳股份低成本无烟煤基负极材料 2000 吨产能投产，但主要为自供。2022 年 11 月底，佰思格 2000 吨硬碳产线投产， 高端/低端产品售价分别为 8/6 万元/吨，公司订单饱满，补齐产业链短板。
1.2. 两轮车&低续航电动车领域钠电先行，硬碳成为主流负极材料 碳基类负极材料最具商业化应用潜力。钠离子电池负极材料主要有碳基材料、钛基 化合物、合金材料、金属化合物等。其中合金材料和金属氧化物材料循环过程中会 出现较大体积变化，循环性能有待提高；钛基化合物负极电池能量密度相对有限。 碳基材料中，传统石墨作为商业化锂离子电池体系最常用的负极材料，由于热力学 原因，钠离子无法嵌入到石墨层间与碳形成稳定的化合物，因此石墨难以作为钠电 负极材料。层间距较大的无定形碳（软碳、硬碳）具有较高储钠容量、较低储钠电 位、优异循环稳定性，应用前景良好。 
当下钠离子电池性能基本满足两轮电动车及低续航电动车要求，下游客户需求明确。目前钠电行业中试电芯性能，大体范围落在能量密度 100-160 Wh/kg（接近磷酸铁锂 电芯 140-180 Wh/kg），循环寿命 1500-5000 次区间。下游需求方面，低速电动车循 环寿命>1300 次，电动车主机厂要求循环寿命>2000 次，储能寿命>8000 次（户储及 国内强制配储一般 4000-5000 次）。 基于电芯性能情况及产品认证进展，钠电有望率先在两轮车上量产应用。电动车方面，部分厂商正在/即将进行整车冬测，两轮车 钠电量产成本影响车企实际装机需求。 钠电高能量密度应用领域决定硬碳成为主流，极致成本追求并非行业当下主旋律。目前钠电产业化重点落在两轮车和低续航电动车领域，缩小钠电电芯与 LFP 电芯能 量密度差距为行业首要任务。主流材料厂商量产的层状氧化物正极材料克容量约为 140 mAh/g（LFP 克容量 150 mAh/g），量产的软碳/硬碳克容量分别为 220 mAh/g （首效约 82%）和 280-320 mAh/g（首效 85-88%）（石墨克容量 310-360 mAh/g）。 以 NaCP10/64/165 软包为例，将负极材料克容量从 300~310 mAh/g 简单替换为 220 mAh/g 后，能量密度从约 153 Wh/kg 降至约 136 Wh/kg（下降约 11%），假设两种 负极材料售价分别为 8/3.5 万元/吨，软碳电芯 Wh 成本下降约 0.01 元，较低首效影 响正极容量发挥，Wh 成本下降有限。 
2.1. 前驱体与硬碳微观结构相关性高，关系硬碳材料性能 硬碳重要性能参数包含比容量、首次效率、压实密度、循环性能等，硬碳主要通过 在平行碳层之间嵌入、微孔中填充、碳层表面&边缘或缺陷位置吸附储钠，硬碳的 微观结构及表面状态直接影响硬碳材料性能。 硬碳前驱体同硬碳微观结构相关性较高。硬碳形成过程通常经过热解（芳构化、缩 聚）和炭化（石墨层形成、碳层长大）过程。高温热解过程中发生的反应跟硬碳的 微观结构密切相关，前驱体中的大分子结构在热处理时会持续存在，不会像石墨化 碳一样转化为流体相，形成的硬碳与母体具有类似的微观结构和形态。 
2.2. 生物质基硬碳路线具备综合性价比，产业化进程居前 硬碳前驱体部分决定硬碳材料性能，前驱体分为化石燃料基、树脂基、生物质基。 树脂基硬碳性能优异、一致性好，得益于能够精细调控孔径结构、表面化学性 质以及活性位点；缺点是成本偏高； 化石燃料基前驱体来源广泛、炭产率高，原材料成本端占优；但是直接碳化容 易得到软碳，制备硬碳时，需要在碳化前预氧化，目前工艺不成熟、克容量偏 低； 生物质基前驱体具备独特微观结构，本身具备自掺杂效应（煅烧后含少量氮、 磷、硫元素），活性点位多，成本、性能居中。生物质衍生硬碳分为植物器官 类衍生物、生物提取物衍生物和生物废料类衍生物。 碳储钠性能提升策略趋同。简单制备硬碳材料通常具备较低的电极电位和首次库伦 效率以及较差的循环稳定性和倍率性能。主要通过以下策略提升硬碳储钠性能：通过调控前驱体的合成以及热解过程，在微观上调控硬碳的孔隙结构和层间距；与其他材料的包覆和复合、杂原子掺杂等来调控材料的缺陷程度和层间距；电解液的调控以及预钠化的处理。 硬碳制备工艺通常分为前驱体预处理、碳化、后处理三部分，针对不同前驱体独有 特点，硬碳生产工艺略有区别：沥青直接碳化易于形成软碳，杉杉股份专利采用了交联剂使沥青发生交联聚合 反应，然后进行碳化处理；酚醛树脂固化后进行碳化，贝特瑞专利增加了包覆工序，提高首次库伦效率；秸秆直接碳化碳收率偏低，圣泉集团加入生物溶剂进行分子重排，提升碳收率；椰壳在碳化后，可乐丽增加了 CVD 处理工序，产品首次库伦效率提升显著，同时极大增加了生产成本；淀粉纯度较高，佰思格专利包含杂原子掺杂工序，增加产品克容量，前驱体碳化后同可乐丽一样，增加了表面改性工序；毛竹较椰壳灰分含量高，预烧成竹炭后进行酸洗，随后碳化出处理。 钠电负极材料多种技术路线并行，生物质基硬碳产业化进程居前。传统负极材料厂 商在生物质基、化石燃料基、树脂基硬碳基本均有布局，起步较早，技术储备雄厚。新进参与者以生物质基为主，充分发挥自身资源、渠道端优势。 此外，华阳股份& 中科海钠布局低成本无烟煤基软碳（同样具备较高无序度）。目前生物质基路线产 业化进程较快，已量产的可乐丽和佰思格均为该路线，我们预估 2023 年由第三方硬 碳供应商提供的有效产能合计达 1.55 万吨（对应约 10GWh 电芯），其中明确为生 物质基技术路线的有 1.3 万吨。 
3.性能、综合成本及量产可行性决定生物质前驱体选择 3.1. 椰壳、淀粉、竹子、秸秆路线产品性能、成本不存在显著差异 椰壳、淀粉、竹子、秸秆四种生物质前驱体制备的硬碳材料产品性能优异。当下缩 小钠电电芯与 LFP 电芯能量密度差距为行业首要任务，高克容量、高首效、高压实 为硬碳材料开发目标。从产品性能看，椰壳、淀粉、竹子、秸秆制备的硬碳材料产 品克容量普遍高于 300 mAh/g，首效高于 85%。通过 CVD 法表面处理，日本可乐丽 椰壳基硬碳产品首效、压实密度、充放电倍率性能良好。通过元素均匀掺杂，淀粉 克容量提升显著。 生物质前驱体综合成本居中，椰壳、淀粉、秸秆、竹子制备硬碳成本不存在显著差 异。制造费用&直接人工成本端，前驱体预处理及碳化工序制造费用较低，由于各 类前驱体（无烟煤除外）均存在特殊工序，假设制造费用+人工成本均为 2.5 万 元，采用 CVD 法进行表面处理成本较高，假设制造成本额外增加 5 万元。原材料成本端，除酚醛树脂、无烟煤外，其余路线原材料成本差异有限。 3.2. 原材料供应稳定及一致性构成生物质基硬碳量产瓶颈 生物质前驱体产业化需解决供应稳定性以及一致性问题，保障材料结构一致性是保 障电池系统循环寿命和安全性的基础。不同产地和批次的生物质往往不具有一致性， 而硬碳材料的结构依赖于前驱体的状态和碳化工艺，只有保障前驱体具有高度一致 性，碳化过程中受热非常均匀，才能保障最终硬碳材料产物的一致性。 3.2.1. 椰壳：农业废弃物，主要供给来自南亚、东南亚，或存进口依赖 椰壳为椰子的内果皮，质地坚硬，一般被用于生产制作器皿、工艺品和活性炭。椰 壳基硬碳孔隙结构发达，灰分含量及 H/C 与 O/C 比低，是一种较理想的负极材料， 目前产业化进度较早，且性能较好。 
椰壳作为一种生物质废弃物，产量受限于椰子产量。椰子的主要产区为斯里兰卡、 马来西亚、印度和菲律宾等，我国海南、台湾等地区有少量种植，其中海南省栽种 面积国内占比超过 99%。根据联合国粮农组织数据，2021 年全球椰壳产量 128.76 万 吨；2021 年国内椰子产量 39.23 万吨，按椰壳 12%的质量占比推算，我国椰壳产量 不超过 4.71 万吨。 国内椰壳产量难以满足硬碳产业化需求，椰壳路线未来存在原材料进口依赖。一般认为椰壳生产硬碳的得率为 20%-25%，1GWh 电池的硬碳负极需求量约为 1500 吨， 所以国内椰壳的年生产潜力最多满足约 6GWh 电池的使用量。此外我国海南省相较 于菲律宾、印尼等椰子产区，纬度更高，日照时间及强度较弱，所产椰壳较薄，硬 度偏低，并不是制造椰壳炭化料的最佳材料，东南亚产椰壳一般为企业首选。 3.2.2. 淀粉：工业品，纯度较高，能够保障产品一致性 淀粉是最丰富的可再生生物材料之一，广泛存在于多种植物中。作为一种典型的多 糖，淀粉成分简单，含碳量高，价格低廉，同时，相较于其他生物质前驱体，淀粉 表现出的天然球形型态使其成为制备硬碳极具竞争力的前驱体材料。佰思格量产路 线选择淀粉、蔗糖为前驱体，产品克容量及首效等指标优异，性能位居行业前列。 淀粉作为工业品，国内供给充足，纯度较高。我国淀粉年产量大，2020 年国内淀粉 产量达 3389 万吨，且生产厂家数量较多，市场供应充足稳定，不存在单一供应商风 险。淀粉是有机高分子碳水化合物，纯度较高。有机高分子化合物作为硬碳碳源时， 可以结合特定的合成方法得到具有特殊形貌的硬碳材料，合成工艺往往较为复杂， 但能够避免杂质，保障结构的一致性。 3.2.3. 毛竹：生长周期短的可再生资源，活性炭厂家入场，毛竹路线值得期待 毛竹是禾木科刚竹属植物，竿型粗大，生长快，经 5-8 年生长材质即可稳定，是竹 类中经济价值最高的竹种，广泛应用于建筑业、造纸业及其他领域。 中国竹林资源丰富。中国是毛竹的故乡且产量最丰，第九次全国森林资源清查结果 显示，我国竹林面积为 641.16 万公顷，其中毛竹林占比 72.96%。毛竹在我国主要分 布于秦岭汉水流域和长江流域以南地区，其中福建省 2020 年竹材产量以 9.57 亿根， 占比 29.51%位居第一。根据《中国林木剩余物数量估算》，以 150 吨/万株的平均重 量为标准，推测国内 2020 年竹材产量为 4864.5 万吨。
活性炭与硬碳原材料、制备工艺相近，钠电行业空间广阔，活性炭龙头企业入场。硬碳制备工艺通常分为前驱体预处理、碳化、后处理三部分，其中以硬碳前驱体为 原材料（椰壳炭、竹炭、生物炭等）的工艺路线与人造石墨相接近，但无需石墨化工序。 活性炭制备工艺通常包含原材料处理、活化、碳化等工序，与硬碳制备前段 工序重合度较高，但无需造孔的活化工序。通常竹子等生物质基硬碳制备过程不含 后处理工序，活性炭与硬碳制备工艺相近。国内活性炭龙头元力股份宣布已攻克毛 竹基硬碳路线，公司未来硬碳生产将以毛竹为主。 资源富集区企业凭借原材料渠道能力解决一致性问题值得期待。元力股份位于福建 南平，周围多毛竹产区（建瓯、顺昌、尤溪等）。相似地理环境下毛竹供应充足， 可以有效缓解硬碳前驱体原材料的一致性问题。 3.2.4. 秸秆：农业废弃物，资源丰富，“生物溶剂法”有望解决一致性问题 秸秆作为农业废弃物，资源丰富。中国是农业大国，小麦、玉米和水稻等高产量农 作物每年提供巨量的生物质秸秆资源。2020 年国内农作物秸秆生产量为 7.92 亿吨， 其中可收集资源量达 6.67 亿吨。秸秆作为农业废弃物，长期以来主要被应用于取暖 能源、家畜饲料和有机肥料等方面，其中肥料化利用占比最高，2020 年占比 51.2%。 
生物溶剂法有望解决秸秆原材料一致性问题。圣泉集团利用“圣泉生物溶剂法”生 物质精炼技术，将秸秆中碳含量高且易于成炭的木质素、部分半纤维素和纤维素组 分有选择性的溶剂到生物溶剂中，在生物溶剂中发生分子间重排及分子内重排，在 重排中，迁移分子或基团完全游离并脱离原来的体系，然后与新体系进行重新排列连接。 通过重排等分子设计手段按照工艺要求进行树脂化形成生物基树脂，进一步 加工成生物炭作为硬碳前驱体。经过重新合成的生物基树脂，分子量组成均一，物 理化学性质稳定，形成的生物炭结构及成分一致。 3.3. 原材料供应渠道或构成生物质基硬碳行业壁垒 与锂电负极不同，生物质基部分原材料非工业品，原材料供应渠道或构成行业壁垒。锂电负极主要原材料为针状焦（适用中高端电池）和低硫焦（适用低端电池），行 业发展初期，成熟的上游原材料市场为锂电负极材料产业化提供便利。但是生物质 基硬碳原材料多为植物器官、生物提取物和生物废料。像秸秆、木材、竹子涉及运 输半径问题，企业需要贴近资源地区，以保证合理采购成本；同时需要在长期采购 积累中建立稳定供应商和原材料供应体系。 ©文章来源于锂电产业通
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首次发布时间：2023-06-21
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