鈉離子電池硬碳材料行業分析報告-供給與需求有望形成共振1.鈉電產業鏈初步成型，負極材料換新，硬碳為當下主流1.1.無懼碳酸鋰價格調整，鈉電產業鏈布局成型碳酸鋰價格短期調整，影響鈉電行業2023年定價水平，不改行業加速趨勢。受動力電池行業需求季節性波動影響，近期碳酸鋰價格持續回落，2022年底電池級碳酸鋰含稅價降至51.75萬元/噸。但碳酸鋰供需關系并未顯著轉變，2023年價格或仍運行在40萬元/噸以上。參考歷史數據，在電池級碳酸鋰價格為40萬元/噸時，方形儲能LFP電芯、方形動力LFP電芯、電動自行車LFP48V24Ah模組單價分別為0.98/0.78/0.95元/Wh。假設鈉電定價比LFP低20%，粗略估算各場景下對應鈉電電芯（模組）定價分別為0.78/0.62/0.76元/Wh，定價具備可行性。負極材料產能短缺構成目前行業發展瓶頸，隨著佰思格2000噸產線投產，鈉電產業鏈初步成型。鋰離子電池產業鏈除負極材料外，基本兼容鈉離子電池。面對強勁需求，負極材料存在產能短板。行業內日本可樂麗硬碳材料單噸售價20萬以上，不支撐鈉電行業發展。2022年3月，中科海鈉&華陽股份低成本無煙煤基負極材料2000噸產能投產，但主要為自供。2022年11月底，佰思格2000噸硬碳產線投產，高端/低端產品售價分別為8/6萬元/噸，公司訂單飽滿，補齊產業鏈短板。1.2.兩輪車&低續航電動車領域鈉電先行，硬碳成為主流負極材料碳基類負極材料最具商業化應用潛力。鈉離子電池負極材料主要有碳基材料、鈦基化合物、合金材料、金屬化合物等。其中合金材料和金屬氧化物材料循環過程中會出現較大體積變化，循環性能有待提高；鈦基化合物負極電池能量密度相對有限。碳基材料中，傳統石墨作為商業化鋰離子電池體系最常用的負極材料，由于熱力學原因，鈉離子無法嵌入到石墨層間與碳形成穩定的化合物，因此石墨難以作為鈉電負極材料。層間距較大的無定形碳（軟碳、硬碳）具有較高儲鈉容量、較低儲鈉電位、優異循環穩定性，應用前景良好。當下鈉離子電池性能基本滿足兩輪電動車及低續航電動車要求，下游客戶需求明確。目前鈉電行業中試電芯性能，大體范圍落在能量密度100-160Wh/kg（接近磷酸鐵鋰電芯140-180Wh/kg），循環壽命1500-5000次區間。下游需求方面，低速電動車循環壽命>1300次，電動車主機廠要求循環壽命>2000次，儲能壽命>8000次（戶儲及國內強制配儲一般4000-5000次）。基于電芯性能情況及產品認證進展，鈉電有望率先在兩輪車上量產應用。電動車方面，部分廠商正在/即將進行整車冬測，兩輪車鈉電量產成本影響車企實際裝機需求。鈉電高能量密度應用領域決定硬碳成為主流，極致成本追求并非行業當下主旋律。目前鈉電產業化重點落在兩輪車和低續航電動車領域，縮小鈉電電芯與LFP電芯能量密度差距為行業首要任務。主流材料廠商量產的層狀氧化物正極材料克容量約為140mAh/g（LFP克容量150mAh/g），量產的軟碳/硬碳克容量分別為220mAh/g

（首效約82%）和280-320mAh/g（首效85-88%）（石墨克容量310-360mAh/g）。以NaCP10/64/165軟包為例，將負極材料克容量從300~310mAh/g簡單替換為220mAh/g后，能量密度從約153Wh/kg降至約136Wh/kg（下降約11%），假設兩種負極材料售價分別為8/3.5萬元/噸，軟碳電芯Wh成本下降約0.01元，較低首效影響正極容量發揮，Wh成本下降有限。2.八仙過海各顯神通，生物質前驅體更勝一籌2.1.前驅體與硬碳微觀結構相關性高，關系硬碳材料性能硬碳重要性能參數包含比容量、首次效率、壓實密度、循環性能等，硬碳主要通過在平行碳層之間嵌入、微孔中填充、碳層表面&邊緣或缺陷位置吸附儲鈉，硬碳的微觀結構及表面狀態直接影響硬碳材料性能。硬碳前驅體同硬碳微觀結構相關性較高。硬碳形成過程通常經過熱解（芳構化、縮聚）和炭化（石墨層形成、碳層長大）過程。高溫熱解過程中發生的反應跟硬碳的微觀結構密切相關，前驅體中的大分子結構在熱處理時會持續存在，不會像石墨化碳一樣轉化為流體相，形成的硬碳與母體具有類似的微觀結構和形態。2.2.生物質基硬碳路線具備綜合性價比，產業化進程居前硬碳前驅體部分決定硬碳材料性能，前驅體分為化石燃料基、樹脂基、生物質基。樹脂基硬碳性能優異、一致性好，得益于能夠精細調控孔徑結構、表面化學性質以及活性位點；缺點是成本偏高；化石燃料基前驅體來源廣泛、炭產率高，原材料成本端占優；但是直接碳化容易得到軟碳，制備硬碳時，需要在碳化前預氧化，目前工藝不成熟、克容量偏低；生物質基前驅體具備獨特微觀結構，本身具備自摻雜效應（煅燒后含少量氮、磷、硫元素），活性點位多，成本、性能居中。生物質衍生硬碳分為植物器官類衍生物、生物提取物衍生物和生物廢料類衍生物。碳儲鈉性能提升策略趨同。簡單制備硬碳材料通常具備較低的電極電位和首次庫倫效率以及較差的循環穩定性和倍率性能。主要通過以下策略提升硬碳儲鈉性能：

通過調控前驅體的合成以及熱解過程，在微觀上調控硬碳的孔隙結構和層間距；

與其他材料的包覆和復合、雜原子摻雜等來調控材料的缺陷程度和層間距；

電解液的調控以及預鈉化的處理。硬碳制備工藝通常分為前驅體預處理、碳化、后處理三部分，針對不同前驅體獨有特點，硬碳生產工藝略有區別：

瀝青直接碳化易于形成軟碳，杉杉股份專利采用了交聯劑使瀝青發生交聯聚合反應，然后進行碳化處理；

酚醛樹脂固化后進行碳化，貝特瑞專利增加了包覆工序，提高首次庫倫效率；

秸稈直接碳化碳收率偏低，圣泉集團加入生物溶劑進行分子重排，提升碳收率；椰殼在碳化后，可樂麗增加了CVD處理工序，產品首次庫倫效率提升顯著，同時極大增加了生產成本；

淀粉純度較高，佰思格專利包含雜原子摻雜工序，增加產品克容量，前驅體碳化后同可樂麗一樣，增加了表面改性工序；

毛竹較椰殼灰分含量高，預燒成竹炭后進行酸洗，隨后碳化出處理。鈉電負極材料多種技術路線并行，生物質基硬碳產業化進程居前。傳統負極材料廠商在生物質基、化石燃料基、樹脂基硬碳基本均有布局，起步較早，技術儲備雄厚。新進參與者以生物質基為主，充分發揮自身資源、渠道端優勢。此外，華陽股份&中科海鈉布局低成本無煙煤基軟碳（同樣具備較高無序度）。目前生物質基路線產業化進程較快，已量產的可樂麗和佰思格均為該路線，我們預估2023年由第三方硬碳供應商提供的有效產能合計達1.55萬噸（對應約10GWh電芯），其中明確為生物質基技術路線的有1.3萬噸。3.性能、綜合成本及量產可行性決定生物質前驅體選擇3.1.椰殼、淀粉、竹子、秸稈路線產品性能、成本不存在顯著差異椰殼、淀粉、竹子、秸稈四種生物質前驅體制備的硬碳材料產品性能優異。當下縮小鈉電電芯與LFP電芯能量密度差距為行業首要任務，高克容量、高首效、高壓實為硬碳材料開發目標。從產品性能看，椰殼、淀粉、竹子、秸稈制備的硬碳材料產品克容量普遍高于300mAh/g，首效高于85%。通過CVD法表面處理，日本可樂麗椰殼基硬碳產品首效、壓實密度、充放電倍率性能良好。通過元素均勻摻雜，淀粉克容量提升顯著。生物質前驅體綜合成本居中，椰殼、淀粉、秸稈、竹子制備硬碳成本不存在顯著差異。

制造費用&直接人工成本端，前驅體預處理及碳化工序制造費用較低，由于各類前驅體（無煙煤除外）均存在特殊工序，假設制造費用+人工成本均為2.5萬元，采用CVD法進行表面處理成本較高，假設制造成本額外增加5萬元。原材料成本端，除酚醛樹脂、無煙煤外，其余路線原材料成本差異有限。3.2.原材料供應穩定及一致性構成生物質基硬碳量產瓶頸生物質前驅體產業化需解決供應穩定性以及一致性問題，保障材料結構一致性是保障電池系統循環壽命和安全性的基礎。不同產地和批次的生物質往往不具有一致性，而硬碳材料的結構依賴于前驅體的狀態和碳化工藝，只有保障前驅體具有高度一致性，碳化過程中受熱非常均勻，才能保障最終硬碳材料產物的一致性。3.2.1.椰殼：農業廢棄物，主要供給來自南亞、東南亞，或存進口依賴椰殼為椰子的內果皮，質地堅硬，一般被用于生產制作器皿、工藝品和活性炭。椰殼基硬碳孔隙結構發達，灰分含量及H/C與O/C比低，是一種較理想的負極材料，目前產業化進度較早，且性能較好。椰殼作為一種生物質廢棄物，產量受限于椰子產量。椰子的主要產區為斯里蘭卡、馬來西亞、印度和菲律賓等，我國海南、臺灣等地區有少量種植，其中海南省栽種面積國內占比超過99%。根據聯合國糧農組織數據，2021年全球椰殼產量128.76萬噸；2021年國內椰子產量39.23萬噸，按椰殼12%的質量占比推算，我國椰殼產量不超過4.71萬噸。國內椰殼產量難以滿足硬碳產業化需求，椰殼路線未來存在原材料進口依賴。一般認為椰殼生產硬碳的得率為20%-25%，1GWh電池的硬碳負極需求量約為1500噸，所以國內椰殼的年生產潛力最多滿足約6GWh電池的使用量。此外我國海南省相較于菲律賓、印尼等椰子產區，緯度更高，日照時間及強度較弱，所產椰殼較薄，硬度偏低，并不是制造椰殼炭化料的最佳材料，東南亞產椰殼一般為企業首選。3.2.2.淀粉：工業品，純度較高，能夠保障產品一致性淀粉是最豐富的可再生生物材料之一，廣泛存在于多種植物中。作為一種典型的多糖，淀粉成分簡單，含碳量高，價格低廉，同時，相較于其他生物質前驅體，淀粉表現出的天然球形型態使其成為制備硬碳極具競爭力的前驅體材料。佰思格量產路線選擇淀粉、蔗糖為前驅體，產品克容量及首效等指標優異，性能位居行業前列。淀粉作為工業品，國內供給充足，純度較高。我國淀粉年產量大，2020年國內淀粉產量達3389萬噸，且生產廠家數量較多，市場供應充足穩定，不存在單一供應商風險。淀粉是有機高分子碳水化合物，純度較高。有機高分子化合物作為硬碳碳源時，可以結合特定的合成方法得到具有特殊形貌的硬碳材料，合成工藝往往較為復雜，但能夠避免雜質，保障結構的一致性。3.2.3.毛竹：生長周期短的可再生資源，活性炭廠家入場，毛竹路線值得期待毛竹是禾木科剛竹屬植物，竿型粗大，生長快，經5-8年生長材質即可穩定，是竹類中經濟價值最高的竹種，廣泛應用于建筑業、造紙業及其他領域。中國竹林資源豐富。中國是毛竹的故鄉且產量最豐，第九次全國森林資源清查結果顯示，我國竹林面積為641.16萬公頃，其中毛竹林占比72.96%。毛竹在我國主要分布于秦嶺漢水流域和長江流域以南地區，其中福建省2020年竹材產量以9.57億根，占比29.51%位居第一。根據《中國林木剩余物數量估算》，以150噸/萬株的平均重量為標準，推測國內2020年竹材產量為4864.5萬噸。活性炭與硬碳原材料、制備工藝相近，鈉電行業空間廣闊，活性炭龍頭企業入場。硬碳制備工藝通常分為前驅體預處理、碳化、后處理三部分，其中以硬碳前驅體為原材料（椰殼炭、竹炭、生物炭等）的工藝路線與人造石墨相接近，但無需石墨化工序。活性炭制備工藝通常包含原材料處理、活化、碳化等工序，與硬碳制備前段工序重合度較高，但無需造孔的活化工序。通常竹子等生物質基硬碳制備過程不含后處理工序，活性炭與硬碳制備工藝相近。國內活性炭龍頭元力股份宣布已攻克毛竹基硬碳路線，公司未來硬碳生產將以毛竹為主。資源富集區企業憑借原材料渠道能力解決一致性問題值得期待。元力股份位于福建南平，周圍多毛竹產區（建甌、順昌、尤溪等）。相似地理環境下毛竹供應充足，可以有效緩解硬碳前驅體原材料的一致性問題。3.2.4.秸稈：農業廢棄物，資源豐富，“生物溶劑法”有望解決一致性問題秸稈作為農業廢棄物，資源豐富。中國是農業大國，小麥、玉米和水稻等高產量農作物每年提供巨量的生物質秸稈資源。2020年國內農作物秸稈生產量為7.92億噸，其中可收集資源量達6.67億噸。秸稈作為農業廢棄物，長期以來主要被應用于取暖能源、家畜飼料和有機肥料等方面，其中肥料化利用占比最高，2020年占比51.2%。生物溶劑法有望解決秸稈原材料一致性問題。圣泉集團利用“圣泉生物溶劑法”生物質精煉技術，將秸稈中碳含量高且易于成炭的木質素、部分半纖維素和纖維素組分有選擇性的溶劑到生物溶劑中，在生物溶劑中發生分子間重排及分子內重排，在重排中，遷移分子或基團完全游離并脫離原來的體系，然后與新體系進行重新排列連接。通過重排等分子設計手段按照工藝要求進行樹脂化形成生物基樹脂，進一步加工成生物炭作為硬碳前驅體