新材料专题系列报告（一）：碳纳米管：优秀的新型导电材料.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 行业 研究 Page1 证券研究报告 深度报告 化学新材料 Table_IndustryInfo 新材料 专题 系列 报告 （一） 超配 （维持评级） 2020 年 07 月 31 日 一年该行业与 上证综指 走势比较 行业专题 碳纳米管：优秀的新型导电材料 碳纳米管是性能优异的新材料，主要应用于锂电池和导电塑料 碳纳米管属于一维纳米材料，具有高强度和高导电导热性的优秀性能，其下游应用主要涵盖新能源汽车产业、 3C 数码产业、半导体产业、电力基础设施等领域。碳纳米管的大规模商业应用需求最主要来自锂电池和导电塑料领域，其中来自锂电池的需求超过 80%。工业化生产碳纳米管常用化学气相沉积法（ CVD 法），其中的催化剂制备环节以及碳纳米管的大规模制备是碳纳米管工业化生产的技术难点 。 锂电池领域： 利用碳纳米管杰出的导电性能，可以制备优良的锂电池导电剂。实际使用过程中，通过提高锂电池正负极导电性进而增强锂电池的能量密度和循环寿命。目前 碳纳米管在锂电池导电剂中已经得到广泛应用。 导电塑料领域： 同样利用碳纳米管的导电性能，与工程塑料混合后可以制成兼具导电性和塑料特性的导电塑料，被广泛应用于半导体、防静电材料和电磁屏蔽等领域 。 伴新能源和 5G 之风，碳纳米管迎来高速增长 全球碳纳米管导电浆料市场将在未来 4 年保持 20%以上的高速增长， 高工锂电 预计到 2023 年，全球和国内产值将分别达到 55 亿元和 37 亿元 ，2019 年国内锂电池用碳纳米管导电浆料产值约 14.5 亿元，其中新能源电池领域 产值约 12 亿元， 5G 手机用产值约 2.5 亿元 。 随着新能源汽车的普及率提高和 5G 手机推广引发换机潮，锂电池行业将迎来蓬勃发展的机遇，拉动对锂电池导电浆料的需求；而新能源汽车和5G 手机对锂电池的能量密度和循环寿命的要求不断提高，将进一步凸显碳纳米管导电浆料的优势，加速在导电剂中的渗透。 此外，锂电池导电剂的国产化率逐年提升， 2018 年达到 31.2%。碳纳米管是少数不依赖进口，而且国内产能领先世界的导电剂，在锂电池导电剂国产化趋势下，碳纳米管将被更多地运用到锂电池导电剂中。 国内产能全球领先，技术壁垒下市场集中 全球碳纳米管产能集中于中国、欧洲和美国 ，中国 占 51.8%，位居第一。国内 的 天奈科技是全球最大的碳纳米管生产企业。国内碳纳米管行业集中度高， 2018 年出货量 CR3 占比达 68%。这是由于 生产过程从催化剂制备到大规模生产再到分散剂的选择存在众多技术难点，行业技术壁垒较高 。 风险提示 1、 新能源汽车普及不及预期 ； 2、 5G 手机 渗透 不及预期 ； 3、 国产化替代不及预期 ； 相关研究报告： 新能源汽车全产业链基础系列研究报告之四：湿法隔膜扩产潮，百舸争流快者先 2017-11-02 证券分析师：龚诚 电话： 010-88005306 E-MAIL： gongchengguosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980519040001 证券分析师：商艾华 电话： E-MAIL： shangaihuaguosen 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980519090001 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明 0.61.11.62.1A/19 O/19 D/19 F/20 A/20 J/20上证综指 化学新材料 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page2 投资摘要 关键结论与投资建议 新能源汽车普及、 5G 换机潮和锂电池导电剂国产化将拉动碳纳米管行业高速增长。 碳纳米管是性能优异的新材料，其大规模商业应用需求最主要来自锂电池和导电塑料领域，其中来自锂电池的需求超过 80%。 工业化生产碳纳米管常用化学气相沉积法（ CVD 法），其中的催化剂制备环节以及碳纳米管的大规模制备是碳纳米管工业化生产的技术难点。 目前，碳纳米管行业最大的增长驱动力来自于锂电池领域两大板块 动力锂电池和数码锂电池。 随着新能源汽车的普及率提高和 5G手机推广引发换机潮，锂电池行业将迎来蓬勃发展的机遇，拉动对锂电池导电浆料的需求；而新能源汽车和 5G 手机对锂电池的能量密度和循环寿命的要求不断提高，将进一步凸显碳纳米管导电浆料的优势，加速在导电剂中的渗透。此外在锂电池导电剂国产化趋势下，碳纳米管作为少数不依赖进口，而且国内产能领先世界的导电剂，将被更多地运用到锂电池导电剂中。 因此，在“总量”和“渗透率”提高的驱动下，全球碳纳米管导电浆料市场将在未来 4 年保持 20%以上的高速增长，预计到 2023 年，全球和国内产值将分别达到 55 亿元和 37 亿元。 核心假设或逻辑 第一、 新能源汽车加速渗透 ，促进动力锂电池需求的增长，进一步拉动对锂电池导电剂的需求。 随着动力锂电池往高能量密度和循环寿命方向发展，碳纳米管的优势更加明显，将被更多地作为导电剂。一方面碳纳米管优异的特性能够提高动力锂电池的能量密度和循环寿命，另一方面逐渐普及的硅基电极导电性差，需要导电性优异的碳纳米管导电剂。 第二、 5G 智能手机功耗大，对电池能量密度提出了更高的要求。 碳纳米管导电剂比其他导电剂更能提高电池的能量密度，因此将成为 5G 手机锂电池青睐的导电剂。 5G 手机渗透率的增加将加速碳纳米管导电剂的渗透，驱动碳 纳米管导电剂市场的增长。 第三、锂电池导电剂国产化替代趋势下，碳纳米管作为少数不依赖进口，而且国内产能领先世界的导电剂，将更受青睐。 核心假设或逻辑的主要风险 第一、新能源汽车普及不及预期，出现性能更佳的导电剂 ； 第二、 5G 手机推广不及预期，出现性能更加的导电剂 ； 第三、国产化替代不及预期。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page3 内容目录 碳纳米管是性能优异、具有巨大应用潜力的新材料 . 5 碳纳米管：性能稳定的高分子纳米材料 . 5 气相沉积法（ CVD）是主要生产工艺，催化剂制备是核心难点 . 6 比强度最高的人造材料，导电导热和储氢性能良好 . 7 大规模商业应用集中在锂电池和导电塑料领域 . 10 新能源领域：碳纳米管是优良的锂电池导电剂 .11 导电塑料领域：碳纳米管作为导电填料优势显著 . 13 半导体领域：碳纳米管有望发挥巨大的作用 . 14 伴新能源和 5G 之风，碳纳米管迎来高速增长 . 15 伴随新能源汽车高速发展，碳纳米管应用渗透率提升 . 16 5G 手机电池高续航要求，碳纳米管导电剂需求增加 . 19 电池导电剂国产化替代加速，碳纳米管更有用武之地 . 21 国内产能全球领先，技术壁垒下市场集中 . 22 中国碳纳米管产能处于世界领先水平 . 22 伴随需求端爆发，行业处于良性复苏阶段 . 23 催化剂铸就行业高壁垒，国内行业集中度高 . 24 分析师承诺 . 25 风险提示 . 25 证券投资咨询业务的说明 . 25 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page4 图表 目录 图 1：碳纳米管粉体 . 5 图 2：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管 . 5 图 3： CVD 工艺流程 . 6 图 4：碳源在催化剂作用下生成碳纳米管 . 6 图 5：催化剂决定了碳纳米管的长度、直径和管壁数量 . 6 图 6：碳纳米管规模化生产涉及各种复杂工艺 . 7 图 7：碳纳米管、金刚石、钢的强度比较（单位： GPa） . 8 图 8：碳纳米管具有良好的可弯曲性 . 8 图 9：基于不同材料的导电剂的 EIS 阻抗（单位：欧姆） . 8 图 10：碳纳米管中可以储存锂离子的缺陷 . 9 图 11：碳纳米管的应用领域 . 10 图 12：碳纳米管大规模商业应用的需求结构 . 10 图 13：碳纳米管大规模商用涉及的领域 . 10 图 14：碳纳米管产业链 . 11 图 15：锂电池的主要构成 . 12 图 16：导电剂在正极活性物质间构建起导电网络 . 12 图 17：锂电池导电材料 4 类接触示意图 . 12 图 18：不同的导电剂以不同的接触方式构建导电网络 . 13 图 19：导电塑料实物图 . 13 图 20：导电母粒实物图 . 13 图 21：碳纤维（ CF）在导电塑料中含量的增加会显著改变塑料的力学性能 . 14 图 22：碳纳米管导电剂以浆料的形式应用到锂电池中 . 15 图 23：全球碳纳米管导电浆料需求量分析及预测 . 15 图 24：全球碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 15 图 25：中国碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 16 图 26： 20142023 全球新能源汽车产量分析及预测 . 17 图 27： 20142023 中国新能源汽车产量分析及预测 . 17 图 28： 20142023 全球动力锂电池需求量分析及预测 . 17 图 29： 20142023 中国动力锂电池需求量分析及预测 . 17 图 30：碳纳米管的优异性能能满足动力锂电池的发展需求 . 18 图 31：三元动力锂电池渗透率 . 18 图 32：中国动力锂电池导电剂渗透率情况 . 19 图 33：全球动力锂电池碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 19 图 34：中国动力锂电池碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 19 图 35： 5G 智能手机渗透率将不断提高 . 20 图 36：同等使用强度下满足续航的 4G 和 5G 电池容量（单位： mAh） . 20 图 37：中国数码电池用导电剂渗透率情况 . 21 图 38：全球数码电池碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 21 图 39：中国数码电池碳纳米管导电浆料产值分析及预测 . 21 图 40：国产锂电池导电剂占比逐年提升 . 22 图 41： 2018 全球碳纳米管粉体产能分布 . 22 图 42：全球部分碳纳米管龙头企业碳纳米管粉体产能（吨） . 22 图 43：碳纳米管行业处于技术成熟度曲线上的良性发展期 . 23 图 44：碳纳米管导电浆料制备流程 . 24 图 45： 2018 年中国碳纳米管导电浆料出货量格局 . 24 图 46：部分碳纳米管企业碳纳米管导电浆料产能（吨） . 24 表 1：生产碳纳米管的不同方法的优劣势对比 . 6 表 2：各国禁售燃油车时间表 . 16 表 3：中日韩主要动力锂电池企业新增产能情况 . 17 表 4：不同导电剂优劣势比较 . 18 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page5 碳纳米管是性能优异、具有巨大应用潜力的新材 料 碳纳米管 ：性能稳定的高分子纳米材料 碳纳米管最突出的结构特征是它由单层或多层石墨片围绕同一中心卷曲而成。碳 纳米管， 英文简称 CNT，属于富勒碳系 ,其长度为微米级 ,直径为纳米级 ， 最富特征的一维纳米材料。在宏观尺度上看，碳纳米管是黑色粉末，在微观尺度上，碳纳米管是由同轴碳管组成的碳分子。每层碳管由碳原子按六边形密铺而成，与石墨烯的层状结构类似，层与层之间则保持 约 0.34nm 的固定距离。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定 得多，是目前已知的熔点最高的材料。 图 1： 碳纳米管粉体 资料来源 :中国制造网 、国信证券研究所整理 碳纳米管根据不同的特征分为不同的类别，商业化角度通常按管壁的层数和导电性对其进行分类 。 按照碳管的层数，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；就其导电性而言 ,碳纳米管可以是金属性的 ,也可以是半导体性的 ,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位也可以呈现出不同的导电性。因而根据导电性质的差异可将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。 图 2： 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管 资料来源 : 碳纳米管和碳微米管的结构 、 性质及其应用 、国信证券研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page6 气相沉积法 （ CVD） 是主要生产工艺，催化剂制备是核心难点 工业化生产常用化学气相沉积法制备碳纳米管。 目前碳纳米管的制备方法主要包含化学气相沉积法、激光蒸发法、石墨电弧法、水热法。 但由于后三者都存在成本高、工业化生产困难的缺点，碳纳米管生产企业更多采用化 学气相沉积法 。 表 1： 生产碳纳米管的不同方法的优劣势对比 工艺类型 优点 缺点 化学气相沉积法 (CVD) 反应过程易于控制 ,反应温度相对较低 ,产品纯度较高 ,成本低 ,产量高 ,适用性强 粗产品中结晶度较低 激光蒸发法 可连续操作、产品纯度高、质量好 产量低、成本高、难以工业化生产 石墨电弧法 碳纳米管管直、壁薄、结晶度高 纯度低 ,产率低 ,成本高 ,且电弧放电过程难以控制 ,难以工业化 水热法 产品管径小、纯度高、收率较高 成本高、难以工业化 资料来源 :天奈科技招股书 、国信证券研究所整理 CVD 工艺流程主要包括催化剂制备、碳纳米管粗粉制备、粗粉纯化和粉碎四大工序，其中催化剂制备是最核心的环节 和技术难点 。 化学气相沉积法制备碳纳米管的关键环节是 碳纳米管在催化剂表面进行生长的过程。具体的反应过程 包括碳源化合物在催化剂表面分解， 碳原子通过表面扩散或者体相扩散进入催化剂内部 ， 最后碳纳米管 从催化剂颗粒中析出。 研究表明， 生长出的碳纳米管的直径在很大程度上依赖于纳米催化剂颗粒的大小 。 由于碳纳米管的管径和长度的比值（长径比） 很大程度上 决定了碳纳米管的性能 ， 催化剂 的制备成为了 CVD 工艺中最核心的环节 。但是催化剂材料的选择、颗粒的直径控制 需要反复地进行 大量 试验 才能加以确定 。 同时 ， 碳纳米管催化剂的动态行为十分复杂 ， 随着碳纳米管的生长 ,催化剂的表面被重构 。因此，如何控制实现催化剂保持原有的满足碳纳米管生长的 状态，这无疑增加了催化剂制备的难度。 图 3： CVD 工艺流程 资料来源 :天奈科技招股说明书 、国信证券研究所整理 图 4： 碳源在催化剂作用下生成碳纳米管 资料来源 : 碳纳米管的宏量制备及产业化 、国信证券研究所整理 图 5： 催化剂决定了碳纳米管的 长度、直径和管壁数量 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page7 资料来源 : 碳纳米管可控制备的过去 、 现在和未来 、国信证券研究所整理 从实验室制备 到大规模工业化生产， 还需要 解决多层次工程科学耦合和关联的问题， 具有较高的技术壁垒。 实验室 碳纳米管生长是在一个较小的反应器中以毫克或克量级的规模进行 ,此时反应器内的热量和质量输运并不存在显著瓶颈 ,传递和反应的耦合不显著 ,主要问题集中在催化生长过程中碳纳米管的结构控制以及碳纳米管之间的相互作用关系方面 。 但是 在工业化过程中，要求 碳纳米管在一个千吨级的工业反应器中大规模生长时 ， 则需考虑原子尺度、纳米尺度、介观尺度、反应器尺度、工厂尺度和生态尺度等多层次工程科学的耦合和关联 。以反应器尺度为例， 因为碳纳米管产品从形态上看并不是一种均匀的物质 ,欲实现碳纳米管这一类新型纳米材料工业生长反应器的设计 ,还需要工程 基础研究的创新结合 。 图 6： 碳纳米管规模化生产 涉及各种复杂工艺 资料来源： 碳纳米管的宏量制备及产业化 、 国信证券经济研究所整理 比强度最高的人造材料，导电导热和储氢性能良好 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page8 碳纳米管独特的结构和化学键，赋予了它独特的力学、电学 、 热学 和化学 性能 ，使得它在多个领域均可以有广泛的应用。 力学性能 1）最高的比强度 ：连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界最稳定的化学键。碳纳米管有极高的抗拉强度和弹性模量，与此同时，碳纳米管的密度却只有钢的 1/6，是目前可以制备出的具有最高比强度的材料。 图 7： 碳纳米管 、金刚石、钢的强度比较（单位： GPa） 资料来源 : 碳纳米管的特性及其高性能的复合材料 、国信证券研究所整理 2）强柔韧性 ：碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时 ,即使外力超过 Euler强度极限或弯曲强度 ,碳纳米管也不会断裂 ,而是首先发生大角度弯曲，当外力释放后 ， 碳纳米管又恢复原状。 图 8： 碳纳米管具有良好的可弯曲性 资料来源 : 碳纳米管材料及应用 、国信证券研究所整理 电学性能 3）良好的导电性 ：碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻和其长度及直径无关 ,电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样 ,能量损失微小 ，是优良的电池导电剂。 图 9： 基于不同材料的导电剂的 EIS 阻抗（ 单位： 欧姆） 02004006008001,0001,200抗拉强度 弹性模量碳纳米管 金刚石 钢请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page9 资料来源 :天奈科技招股说明书 、国信证券研究所整理 注： EIS 值越小，导电性越好 4）优异的导热 性：碳纳米管具有极高的导热率，室温下导热率是金刚石的 2 倍，是目前已知的最好的导热材料。此外，碳纳米管轴向方向的热交换性能很高，径向方向的热交换性能则较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。 5）储氢性能良好 ：碳纳米管本身具有高比表面积，再经过处理后具有优异的储氢能力。 6）优越的嵌锂特性 ：碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。 图 10： 碳纳米管中可以储存锂离子的缺陷 资料来源 : 碳纳米管和碳微米管的结构 、 性质及其应用 、国信证券研究所整理 7）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。 050100150200250300350碳纳米管 科琴黑 SP 石墨烯请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page10 大规模商业应用集中在锂电池和导电塑料领域 碳纳米管凭借多种优异的性能被应用到锂电池导电剂、导电塑料、透明导电膜、超级电容器、导电墨水、高强度“超级纤维”等多种产品或材料当中， 应用领域涵盖新能源汽车、 3C 数码、半导体、光伏发电、航天航空、国防军工等众多领域。 图 11： 碳纳米管的应用领域 资料来源 : 国信证券经济研究所整理 尽管碳纳米管独特的性能赋予其在多领域应用的潜力，但 透明导电膜、超级电容器、导电墨水等新型产品的生产工艺仍未成熟 ，而高强度“超级纤维”等材料主要小范围应用于航空航天、军工等高精尖行业 ，因此上述产品或材料距离大面积工业商用仍需一段较长的时间 。 目前， 商 业化 且大 规模 应用 的领域主要 集中 于 锂电池导电剂和导电塑料 。 据测算，目前 超过 75%的需求来自锂电池导电剂领域。 产业链 化工 上游 主要是丙烯、液氮 ； 下游 应用于锂电池服务新能源汽车产业和 3C 数码产业，应用于导电塑料 ， 服务 电力基础设施、半导体产业 等 。 图 12： 碳纳米管大规模商业应用的需求结构 图 13： 碳纳米管大规模商用涉及的领域 资料来源 : 高工锂电、 国信证券经济研究所整理 资料来源 : 国信证券经济研究所整理 锂电池85.9%导电塑料14.1%