碳纳米管性能优势、需求、格局及壁垒分析

碳纳米管导电性能更好。

1.碳纳米管具有多重优势，替代品威胁较低

碳纳米管具有非常优异的力学、电学、热学等性能，被多个行业广泛关注及青睐。碳纳米管为管 状的纳米级石墨晶体，是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 级管状结构，一般分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管。其中，单壁碳纳米管具有更丰富的电学输运特性，更高的电导率、热导率、比强度和柔韧性；多壁碳纳米管具有较好的电学和热学传导性 及稳定性。碳纳米管具有非常优异的力学、电学、热学等性能。在力学上，它具有极高的强度和极大的韧性； 在电学上，导电性能优异；在热学上，热传导效率极高，导热性能突出；并且，其化学性质稳定， 具有耐酸性和耐碱性。

碳纳米管导电性能更好。不同材料的导电剂体系阻抗不同，阻抗越低，代表导电性能越好。新型 导电剂材料性能优于传统材料，碳纳米管+石墨烯复合导电剂阻抗最低，在单一材料导电剂里碳 纳米管导电剂性能最优。同时也可发现石墨烯配合颗粒状或线状导电剂使用时导电性能得到大大 加强。

碳纳米管价格虽比传统导电剂高，但添加量更小。导电剂添加量需适量：太低会导致电子导电通 道不足，不利于大电流充放电；含量过高则会降低活性物质的相对含量，使电池容量降低。据高 工锂电数据显示，传统炭黑导电剂在正极浆料中的添加比例在 3%左右，而新型导电剂碳纳米管 和石墨烯的添加比例则能降低至 0.5%~1.0%。因此，虽然新型导电剂粉体价格比传统导电剂要高 许多，但要达相同导电性能，用量仅为传统导电剂的1/6~1/2。加上其导电性能极佳，能使锂电池 循环过程中保持良好的电子和离子传导，从而大幅提升锂电池的循环寿命，符合锂电池特别是动 力锂电池对更高能量密度的要求。

2.空间：中性预计2025年全球CNT需求将达1.1万吨

新能源汽车：多因素推动，燃油替代势如破竹。2021 年，疫情在全球范围得到一定遏制，各国经 济刺激政策进一步推动经济持续回升。在新能源汽车产业，世界各国及地区都积极颁布相关法案 助力产业的发展。比如中国双积分、欧洲碳排放和美国清洁能源法案共同构筑的强大政策催化联 盟。双积分约定了中国新能源汽车 2025 年渗透率至少 20%（参见《细研双积分，为什么我国 2025年新能源汽车渗透率20%？》），表明了我国对新能源汽车产业的重视；欧盟碳排放要求车 企的平均二氧化碳排放值在 2025 年下降 15%，即 81 克/公里；美国清洁能源法案计划提供 316亿美元电动车消费税收抵免，刺激电动车销量，同时签署法令，要求 2030年零排放汽车比例达到 50％。全球电动化从中国和欧洲双主场拓展至中美欧三足鼎立的局面。

需求端：锂电池行业赛道宽广，需求快速提升，2025 年全球需求有望达 1915GWh。放眼全球， 新能源汽车市场发展呈加速之势，中国、欧洲、美国三个市场未来将持续贡献重要增量，同时， 储能、电动两轮车等领域也有望迎来快速增长。我们预计到 2025 年全球动力电池需求达到 1523GWh，外加消费电池、储能、电动工具、电动自行车等需求，我们预计 2025 年合计锂电池 需求量 1915GWh，2020-2025 年均复合增速达到 49.0%。

中性预测下，预计 2025 年全球锂电用碳纳米管粉体需求量将达到 1.1 万吨。从碳纳米管添加比例 来看，正极端三元材料和钴酸锂的导电性本身好一些，添加量比铁锂小，铁锂正极一般添加比例 为 0.5%以内（固含量），三元正极和钴酸锂一般为 0.1-0.2%；负极端石墨负极导电性本身好一 些，添加量比硅碳负极小，一般石墨负极几乎不用碳纳米管，因为石墨导电性能比较好，而硅碳 负极中硅的导电性能不好，需要长链的碳纳米管去控制，添加量一般为 0.5%。

根据不同正负极材 料体系的添加比例，我们把电池分成四种材料体系：磷酸铁锂正极和石墨负极；三元正极和石墨 负极；高镍三元正极和硅碳负极；钴酸锂电池。其中磷酸铁锂电池体系碳纳米管需求约 11 吨 /GWh，三元石墨体系约 1.6-3.2 吨/GWh，高镍硅碳体系约 6.1 吨/GWh，钴酸锂电池体系约 2 吨/GWh。根据测算，中性预计2025年全球锂电用碳纳米管粉体需求量将达到1.1万吨，2021-2025 年年均复合增速达到 43.8%。

3.格局：行业集中度高，二线企业竞争加剧

行业集中度进一步提升，未来二线企业竞争可能加剧。随着碳纳米管作为新型导电剂开始逐步被 锂电池生产企业接受，更多相关生产企业进入市场，从2021年出货量看，排名前五的企业分别为 天奈科技、集越纳米、卡博特（2020 年 4 月收购三顺纳米）、青岛昊鑫（道氏技术子公司）和无 锡东恒，2021 年行业 CR5 达到 86.6%.相比 2017 年行业集中度进一步提升。展望未来，头部企 业有望凭借技术和客户等优势巩固优势，而随着更多企业进入碳纳米管行业，未来二线企业面临 竞争可能加剧。

各企业的碳纳米管性能各有不同。碳纳米管的长径比（长度和直径比）、碳纯度是影响碳纳米管 导电性能的两个核心指标，二者数值越大，碳纳米管性能越好。各家生产企业的产品技术指标各 不相同，下游锂电厂商根据自身需求选择或者定制不同参数的产品。

4.壁垒：碳纳米管具备多重技术壁垒，原材料占比高

碳纳米管的研发难点主要在于碳纳米管管径和管长的控制方法及各项性能指标的测试，包括催化 剂的制备研发、碳纳米管积碳生长研发、碳纳米管应用研发 3 个方面。催化剂的研发工艺：（1）溶解：硝酸铁、硝酸镁、硝酸铝、硝酸锰等完全溶解于纯水（通常为 过渡金 属） ；（ 2） 沉淀 ： 加入氨 水使 硝酸盐 生成 金 属氢氧 化物 沉淀， 化学 反 应式为 MNO3+NH3H2O—>MOH+NH4NO3（其中 M 代表:铁、锰、铝等金属）；（3）焙烧：将沉淀反应 生成的氢氧化物分解成金属氧化物的催化剂，达到催化剂产品的要求后进入到下部工序，化学反 应式为 2MOH—>M2O+H2O。

碳纳米管积碳生长研发：原理为采用气相沉积法（CVD）研发制备碳纳米管，主要生成机理为： 碳源气体丙烯在高温 700℃左右吸附到金属催化剂上后 碳源反应裂解生成碳原子，当其中碳的浓 度达到一定程度后过饱和析出，在催化剂颗粒四周上生长成规则排列的管状石墨层结构的碳纳米 管。生长碳纳米管的化学方程式为：2C3H8—>C6（碳纳米管）+8H2 。碳纳米管的应用研发（导电浆料）：主要是制备碳纳米管的高效分散溶液，溶剂主要为有机溶剂 N-甲基吡咯烷酮（NMP），适量添加分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）来加强分散效果。碳纳米管由于是尺度很小的纳米材料，比表面积大，呈聚集状态，而在其它材料体系中应用最关键就是要 把碳纳米管完全分散到非聚集的“单根状态”，目前最好的分散手段是高速研磨和超声分散。

原材料价格占比高，上游易受 BDO 影响。根据天奈科技 2020 年成本构成情况，碳纳米管浆料的 原材料成本占比高达 70%，原材料主要为 NMP、丙烯、分散剂、液氮等，其中 NMP 占比高达 89%。NMP 成本占比高，且 NMP 主要原材料 BDO（1,4-丁二醇）为大宗化工产品，因此碳纳米 管成本受原材料成本波动较大。2021 年锂电池市场需求旺盛导致上游原材料 NMP 供不应求，另 外 BDO 上游电石受到环保限制，供应不足，从而导致 NMP 价格出现大幅上涨，碳纳米管企业成 本端普遍承压，而天奈科技通过子公司新纳环保自行回收并生产 NMP，较好地平滑了原材料 NMP 价格波动的风险。