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请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容证券研究报告|2022年12月6日钠电行业深度系列二：硬碳负极行业研究 深度报告 电力设备新能源 电池投资评级：超配（维持评级）证券分析师：王蔚祺010-S0980520080003从零到一新突破，生物质路线前景广阔请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容报告摘要硬碳目前为钠电池主流负极材料路线，同时也为当下钠电池产业规模化的主要制约因素。硬碳材料具有结构多样、价格低廉、导电性良好、储钠容量高、嵌钠后体积形变小、环境友好和低氧化还原电位等优点，为当下钠电池主流负极材料路线。但受制于硬碳负极国内产能有限的问题，产品依赖于进口，同时工制备路线多样，工艺路线尚未确定，成为短期制约钠电池行业规模化的主要因素。硬碳前驱体技术路线多样，生物质基为当下主流路线。目前常用的硬碳前驱体主要是生物基，如毛竹、椰壳、淀粉、核桃壳等，同时也可以使用、无烟煤、沥青、酚醛树脂等化工原料。原料和技术不同，性能和成本也有显著差别。一、生物质基路线性能适中，物料来源广泛，成本相对合适。二、酚醛树脂等合成聚合物前驱体路线性能较优，但成本相对高昂。三、无烟煤、沥青等化石燃料基路线成本低廉，但产出的硬碳材料性能一般。因此生物质基前驱体路线为当下主流路线。硬碳负极处于从零到一爆发前夕，正全力推进国产化。目前佰思格、贝特瑞拥有硬碳负极产能，正全力推进生物质基硬碳国产化；杉杉股份、中科电气、翔丰华等人造石墨负极头部企业各自布局生物质基、化石燃料基、以及合成聚合物基硬碳负极路线；新进入企业如元力股份、圣泉集团亦布局生物质基硬碳材料，其中圣泉集团主要依靠秸秆来源的生物质量产优势。我们预期随着钠电池材料体系的成熟和产能规模化，凭借出色的经济性和安全性，2026年全球钠电池需求有望突破120GWh，对应市场空间突破600亿元；我们预计2026年硬碳负极需求量达到16.23万吨，对应市场空间有望达到73亿元。产业链相关公司：璞泰来、贝特瑞、中科电气、杉杉股份、翔丰华、元力股份、圣泉集团风险提示：钠电池产业化进展不及预期、下游需求不及预期、硬碳负极行业进入者竞争加剧请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容第一章 硬碳负极基本介绍请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容钠离子电池简介 钠离子电池的概念最早由ARMAND团队于20世纪80年代提出，在90年代经过产业化推广得到技术应用。钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，其本质是在充放电过程中由钠离子在正负极间嵌入脱出实现电荷转移、而锂离子电池则是通过锂离子在正负极间移动来进行电荷转移，工作原理本质上相同。与锂电池相比：钠电池在正极材料、负极材料中均发生较大变化。图1：钠离子电池工作原理 表1：锂离子电池与钠离子电池比较资料来源：Tarik Chafik等Study of electrochemical alkali insertion into carbonaceous materials、国信证券经济研究所整理资料来源：中科海钠官网、锂离子电池正极材料研究进展、国信证券经济研究所整理材料与设备 锂离子电池 钠离子电池正极材料 磷酸铁锂、三元材料等层状氧化物、聚阴离子材料、普鲁士蓝类材料负极材料人造石墨、天然石墨、硅基负极等碳基材料、金属氧化物、磷基材料等电解液 溶质为六氟磷酸锂 溶质为六氟磷酸钠或高氯酸钠隔膜 无变化 无变化集流体 正极铝箔，负极铜箔 正负极均为铝箔设备 无变化 无变化正极 负极电解液充电放电请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容钠电池各负极材料路线对比图2：钠电池各技术路线对比资料来源：李旭升钠离子电池碳负极材料的制备及储钠性能研究、国信证券经济研究所整理图3：合金类材料易出现材料膨胀问题资料来源：李旭升钠离子电池碳负极材料的制备及储钠性能研究、国信证券经济研究所整理 目前钠离子电池负极材料的研究主要集中在碳基材料、合金类材料、过渡金属氧化物及有机化合物等。在众多负极材料中硬碳材料具有结构多样、价格低廉、导电性良好、储钠容量高、嵌钠后体积形变小、环境友好和低氧化还原电位等优点。软碳层间距较硬碳小，软碳储钠的比容量仅220mAh/g，其体积容量难以提高，且低温性能、快充性能等方面均没有硬碳好。合金类材料存在储钠过程中体积膨胀严重，材料粉化，循环稳定性差，成本高的问题；金属化合物有原材料价格昂贵，穿梭效应严重，库伦效率低等问题。材料膨胀活性材料粉化脱落请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容钠电池各负极材料路线对比 目前钠离子电池负极材料的研究主要集中在碳基材料、合金类材料、过渡金属氧化物及有机化合物等。碳基材料中，硬碳材料具有结构多样、价格低廉、导电性良好、储钠容量高、嵌钠后体积形变小、环境友好和低氧化还原电位等优点。软碳层间距较硬碳小，软碳储钠的比容量仅220mAh/g，其体积容量难以提高，且低温性能、快充性能等方面均没有硬碳好。合金类材料存在储钠过程中体积膨胀严重，材料粉化，循环稳定性差，成本高的问题；金属化合物有原材料价格昂贵，穿梭效应严重，库伦效率低等问题表2：钠电池各负极材料技术路线对比资料来源：余海军钠离子电池负极材料的研究进展、Joachim MaierFundamentals，status and promise of sodium-based batteries、国信证券经济研究所整理种类 碳基材料 合金类材料 金属氧化物 金属硫化物 金属磷化物储钠原理 纳米孔洞储钠、石墨片层间嵌钠、表面吸附和缺陷储钠与Na形成合金或金属间化合物氧化态金属被Na还原形成Na2O，或发生合金化反应尚不明确 与Na形成合金反应代表性材料 硬碳，软碳 Si0.07Sb0.93 Na2Ti3O7 MoS2 Sn4P3比容量（mAh/g）硬碳理论值530 420 120 370 1132电势（V，相对于Na+/Na）0.3 0.8 0.5 1.3 0.4优势储钠平台低、容量高、循环寿命长、成本低廉、体积膨胀小电子导电性好、比容量高、有效防止枝晶的产生理论容量高、安全性好、电压平台稳定、廉价易得理论容量高、结构稳定、热力学稳定性好、良好的导电性理论容量高、嵌钠/脱钠电势适当、导电性较好、膨胀较小劣势倍率性能差、大部分容量在接近金属钠的析出电位附近实现，可能导致电极表面析出钠枝晶体积膨胀严重，材料粉化；循环性能差；成本较高电子导电性较差、体积效应严重、循环稳定性差原料昂贵、穿梭效应严重首次库伦效率低、电化学原理有待研究请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容钠电池企业选择硬碳作为主要负极材料路线 目前正极材料路线多样，采用层状氧化物的有宁德时代、中科海钠、钠创新能源、传艺科技、立方新能源；采用聚阴离子氧化物路线的有众钠能源、鹏辉能源、山东章鼓；采用普鲁士蓝/白材料路线的有宁德时代、星空钠电、贲安能源等。钠创新能源同时也在建设聚阴离子量产线，以及研发普鲁士蓝/白体系。从负极材料选取来看，主要电池企业大多选取硬碳材料。表3：钠电池各大企业技术路线对比资料来源：中国专利信息网，宁德时代、传艺科技公司公告、中科海钠、钠创新能源等公司官网、国信证券经济研究所整理企业名称 材料方案（正极+负极）电芯能量密度（Wh/kg)倍率性能 低温性能 循环寿命 主营业务 融资历程宁德时代（300750.SZ）普鲁士白/层状材料+硬碳160 15min充电80%以上-20下容量保持率超90%3000 锂离子电池 已上市中科海钠 铜铁锰氧化物+无定形碳 145 最高能够达到5C倍率 工作温度在-40-80 4500 钠离子电池2022年4月完成A+轮融资，华为哈勃参与。钠创新能源 铁基氧化物+硬碳 130-160 工作温度在-40-55 4000钠离子电池正极及前驱体、电解液；钠离子电池2021年11月完成亿元Pre-A轮融资星空钠电 普鲁士蓝+普鲁士蓝 钠离子电池2021年底引入战投淮海控股众钠能源 硫酸铁钠+硬碳 钠离子电池2022年3月完成B轮融资，碧桂园创投独家领投传艺科技（002866.SZ）层状氧化物+硬碳 145-20下容量保持率超88%4000输入类设备和印制电路板（PCB）两大类消费电子零组件已上市立方新能源 层状氧化物+硬碳 140 15min充电80%以上-20下容量保持率超88%2000 锂离子电池 已完成B轮融资贲安能源 普鲁士蓝+钛酸盐 3500 钠离子电池2017年软银中国参与A轮融资山东章鼓（002598.SZ）磷酸钒钠+硬碳 工作温度在-30-55鼓风机、通气机、工业泵、电气设备等已上市鹏辉能源（300438.SZ）磷酸盐系+硬碳 锂离子电池 已上市请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳负极基本介绍资料来源：Jeff R.DahnHigh Capacity Anode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries、国信证券经济研究所整理 硬碳又称“非石墨化碳”，通常是难以被石墨化的碳材料的统称。硬碳由扭曲的石墨烯片堆积而成，即使在高于3000的温度下，这些堆叠的石墨烯片也很难完全展开或压平而进一步形成石墨。Jeff Dahn等人提出的“纸牌屋”模型是第一个也是最早被广泛接受的硬碳结构模型，该模型指出硬碳中存在小而弯曲的石墨烯片平行堆叠的短程有序微区，堆叠层数一般在26层，横向尺寸在4纳米左右，材料呈现长程无序排列，不同取向的微区之间形成了丰富的纳米孔道。值得关注的是，硬碳的石墨片层间距通常在0.370.40纳米之间，远比石墨的0.335纳米大，因此硬碳对于比锂离子半径更大的钠粒子，拥有更强的存储能力和更高的储钠容量。图5：硬碳、软碳和石墨的结构示意图及电镜照片。图4：硬碳的“纸牌屋”模型、硬碳与石墨的层间距比较资料来源：李喜飞钠离子电池炭基负极材料研究进展、Titirci等Sodium Storage Mechanism Investigations through Structural Changes in Hard Carbons、Moon J.Kim等Electron microscopy analyses of natural and highly oriented pyrolytic graphites and the mechanically exfoliated graphenes produced from them国信证券经济研究所整理0.370.4 nm0.335 nm硬碳 石墨硬碳 软碳 石墨请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳负极的物理化学特性图6：硬碳作为负极时存储碱金属离子的位点示意图 图7：不同碳基负极性能对比资料来源：Xiaolin LiA Minireview on Hard Carbon as Na-ion Battery Anodes:Progresses and Challenges、国信证券经济研究所整理资料来源：李喜飞钠离子电池炭基负极材料研究进展、国信证券经济研究所整理 硬碳储存碱金属离子的位点主要包括：1）插层在石墨烯片层之间；2）储存在闭孔内；3）吸附在表面和缺陷位点上。而石墨和软碳材料储存碱金属离子的方式主要是插层在石墨烯片层之间。考虑到硬碳材料相比石墨和软碳具有更丰富的储锂/钠位点，硬碳具有更高的理论容量（530 mAh/g)，远高于石墨材料的理论容量372 mAh/g。同时，因为石墨烯片层之间存在大量孔洞，钠离子插层和填充前后造成的晶格膨胀可以被有效缓解，因此硬碳的在充放电过程中的体积膨胀效应远小于石墨和软碳，安全性更好。0.370.4 nm石墨烯片层石墨烯片层上的缺陷位点插层在石墨烯片层之间的离子填充在闭孔中的离子表面吸附的离子与缺陷结合的离子硬碳软碳石墨比容量（mAh g-1)电位（V）请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳储钠的四种理论模型 目前硬碳储钠理论模型可分为4种类型：1）“插层-填充”机制：钠离子沿着倾斜区插入平行碳层，同时填充到平坦区的纳米孔中；2）“吸附-填充”机制：钠离子吸附在倾斜区的缺陷位点上，同时填充到平坦区的纳米孔中；3）“吸附-插层”机制：钠离子吸附在倾斜区的表面和缺陷位点上，同时沿平坦区插入碳层；4）多阶段机制：由于硬碳的尺寸复杂性，多种机制共同生成。图8：硬碳“插层-填充”储钠机制资料来源：徐斌、邱介山等Understanding of Sodium Storage Mechanism in Hard Carbons:Ongoing Development under Debate、国信证券经济研究所整理图9：硬碳“吸附-填充”储钠机制 图10：硬碳“吸附-插层”储钠机制 图11：硬碳多阶段储钠机制资料来源：徐斌、邱介山等Understanding of Sodium Storage Mechanism in Hard Carbons:Ongoing Development under Debate、国信证券经济研究所整理资料来源：徐斌、邱介山等Understanding of Sodium Storage Mechanism in Hard Carbons:Ongoing Development under Debate、国信证券经济研究所整理资料来源：徐斌、邱介山等Understanding of Sodium Storage Mechanism in Hard Carbons:Ongoing Development under Debate、国信证券经济研究所整理请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳作为负极的应用 硬碳材料在能源领域的应用主要有锂离子电池、超级电容器和钠离子电池。1991年索尼公司发布的首个商用锂离子电池就采用了由聚糠醇树脂制备的硬碳负极，早期使用醚类电解液时硬碳比石墨负极具有更高的比容量和更好的电解液兼容性，直到碳酸酯电解液的出现，硬碳才被石墨超越；另外，硬碳材料因其较高的比表面积，成为超级电容器的理想负极材料；当前硬碳材料也被认定更适合作为钠电池负极材料。硬碳作为负极的优势：比石墨类材料具有更好的结构稳定性、充放电循环寿命长、安全性能更好。同时，硬碳的结晶分散，锂离子容易进出，能够提高电池的输出功率。在环境苛刻的低温条件下，石墨负极因其锂离子扩散率较低而容易形成锂枝晶，而硬碳负极锂离子扩散更容易，因而低温性能更好。但缺点是首效低、存储的锂离子量相对较少、容量低。因此，硬碳负极常应用于对瞬时功率要求较大的启停电源、适用于严苛环境的低温电池和动力电池等场景。图12：硬碳作为负极的应用场景资料来源：陈成猛等Hard Carbon Anodes for Next-Generation Li-Ion Batteries:Review and Perspective、金鹏辉科技官网、宁德时代公司公告、骆驼股份官网、国信证券经济研究所整理超级电容器 严苛环境电池钠电池启停电池 动力电池请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳负极目前为钠电池规模化主要制约因素 在当前碳酸锂价格高企的背景下，锂离子电池成本占比中最高的是正极，占比超过50%，人造石墨负极成本5%-8%。负极方面，目前进口的硬碳负极材料价格高于20万/吨，成本占比较高，按照当下各类材料价格测算，硬碳负极占钠电池成本接近25%。国内传统负极企业的硬碳负极虽均有专利技术布局，但产品大多还处在中试或客户验证阶段，累计产能仅数千吨，目前头部电池厂主要依赖向日本厂商进口。日本吴羽化学、可乐丽和住友电木的产品相对较为成熟，其中吴羽化学起步最早，可乐丽产品最为成熟。资料来源：鑫椤锂电、国信证券经济研究所整理与测算正极材料64.9%负极材料5.4%隔膜2.3%电解液9.9%导电剂0.5%粘结剂3.0%铜箔7.8%铝箔1.3%其他0.5%结构件4.4%图 1 3：电 池 成 本 占 比（三 元 5 系）正极材料52.2%负极材料7.9%隔膜4.0%电解液13.1%导电剂1.2%粘结剂3.8%铜箔9.9%铝箔1.7%其他0.7%结构件5.6%图 1 4：电 池 成 本 占 比（磷 酸 铁 锂）图 1 5：当 下 电 池 成 本 占 比（钠 电 池）资料来源：鑫椤锂电、国信证券经济研究所整理与测算正极材料30.4%负极材料24.9%电解液31.2%隔膜3.6%铝箔4.0%其他5.9%资料来源：鑫椤锂电、国信证券经济研究所整理与测算请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容第二章 硬碳负极制造工艺及技术路线请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳的合成工艺简介图16：硬碳形成过程分解资料来源：Stefano PasseriniHard carbons for sodium-ion batteries:Structure,analysis,sustainability,and electrochemistry、国信证券经济研究所整理 区别于锂离子负极材料石墨的合成，硬碳的合成需要经历芳香化、缩聚、石墨层形成、石墨层生长、片层生长堆叠等历程。人造石墨主要采用针状焦、石油焦和沥青等化工原料，此类原材料在碳化过程中能够在较宽的温度范围内出现熔融状态，使得碳层能够重排，形成长程有序的片层结构；硬碳采用的有机前驱体多存在含有氧、硫、氮等基团的支链结构，在碳化的过程中交联形成新的网状结构，不利于碳层的重排，因而无法形成长程有序的石墨片层结构。硬碳采用的前驱体原料主要为生物质、树脂类和高分子前驱体。石墨硬碳微观结构请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容硬碳多种工艺路线 目前常用的硬碳前驱体主要是生物基高分子材料，如毛竹、椰壳、淀粉、核桃壳等，同时也可以使用无烟煤、沥青、酚醛树脂等化工原料。不同前驱体得到的硬碳产品具有显著的性能差异，且原料来源不同，成本构成也有显著差别。硬碳工艺多路并行，负极企业各展其能。日本可乐丽公司使用的硬碳前驱体为生物质材料椰壳，国内传统锂电负极企业贝特瑞、杉杉、中科星城和翔丰华等厂家的硬碳负极工艺囊括生物基材料、树脂类原料和沥青基原料，实现体系化的专利布局。佰思格作为对标可乐丽的硬碳负极企业，专注葡萄糖、淀粉、木质素、椰壳等生物质材料制备硬碳材料。元力股份采用毛竹、椰子壳和稻壳等原料。圣泉集团则采用秸秆。武汉比西迪选取酚醛树脂作为前驱体。资料来源：中国专利信息网、元力股份公司公告、圣泉集团公司公告、国信证券经济研究所整理公司名称 前驱体路线 制备硬碳性能情况日本可乐丽 椰子壳 充放电可逆容量320-405mAh/g,首次效率为88%-90%佰思格葡萄糖、糖、淀粉、纤维素、木质素、木屑、竹屑、椰子壳或坚果壳等沥青基、植物基硬碳的压实密度可达到1.72g/ml，1C放电首次容量达到362mAh/g，首次效率达到92.5，4C充放电效率分别达到87与94.5，2C循环1000次容量保持率82以上，可满足动力锂离子电池的需求贝特瑞稻壳、玉米芯、果壳等植物类原料；树脂类前驱体；树脂类硬碳充放电可逆容量485mAh/g，首次效率80%；在常温1C循环100周容量保持率96%；在零下20下，材料仍能可逆进行锂离子的嵌入和脱出，且1C循环100周容量保持率95%；在常温20C倍率放电下，容量能达到1C放电的93%杉杉科技华榛、平榛、毛榛等榛子壳；树脂类前驱体；沥青基前驱体沥青基硬碳首次可逆容量在480mAh/g以上，首次库伦效率大于85中科星城 树脂类、生物质和难石墨化焦类树脂基、生物质基硬碳可逆容量高于500mAh/g，极片压实可达1.55 g/cc，首次效率高于80%，5C充放循环寿命超过2000周，常规电池体系下，30C充电容量为1C充电容量的85%以上，30C放电容量为1C放电容量90%以上。翔丰华 树脂类、生物质和难石墨化焦类煤沥青基球形硬碳，其压实密度大于1.1g/cm3，压实密度高，可逆比容量大于400mAh/g，首次库仑效率大于80，循环500次容量保持率大于85，30C/1C容量保持率为大于98凯金能源 聚合物硬碳、生物质硬碳生物质硬碳可逆比容量300-500mAh/g，首效70%-85%；聚合物硬碳可逆比容量400-600mAh/g，首效75%-85%元力股份 毛竹、椰子壳、稻壳-圣泉集团 秸秆、酚醛树脂-武汉比西迪 酚醛树脂 首次容量高于500mAh/g,首次效率高于85%，振实密度1.3-1.6g/cm3，比表面积3.0-7.0m2/g多氟多 核桃壳 比容量260mAg/g鸡西唯大新材料 沥青、生物质（茄子）沥青基比容量270mAh/g；生物质基循环200圈后比容量为200mAh/g欣旺达 生物质（花生壳）2C循环500次后容量保持率95%+表 4：硬 碳 前 驱 体 工 艺 路 线 对 比请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容不同企业硬碳前驱体工艺路线对比图17：不同硬碳前驱体生产工艺对比资料来源：中国专利信息网、国信证券经济研究所整理佰思格生物质基硬碳负极生产工艺生物质材料 前驱体 中间体 半成品 快充材料改性处理 裂解&缩聚 炭化 表面改性日本可乐丽生物质基硬碳负极生产工艺椰壳 炭 炭粉 快充材料600碳化球磨机研磨碱液浸渍热处理&纯化 CVD处理将炭粉浸渍在碱溶液中，随后干燥在HCl/N2气氛下1200在碳氢化合物/N2气氛下800石油沥青 改性硬碳前驱体 硬碳负极材料粉碎分级 真空碳化与富锂剂混合细化粉料与添加剂交联反应添加剂：双氧水和硝酸的混合物杉杉科技沥青基硬碳负极生产工艺低温预烧热塑性树脂 固体前驱体树脂类硬碳前驱体前驱体分散体固化混合物硬碳负极材料在水中分散沥青基包覆材料包覆600-1500热解贝特瑞树脂基硬碳负极生产工艺 日本可乐丽开发的硬碳负极工艺较为繁琐，采用椰壳作为原料，经过碳化、破碎、碱渍、热处理纯化和CVD处理，其中CVD处理工艺难度较高。国内企业佰思格硬碳产品采用淀粉等生物质材料作为原料，通过改性处理、裂解缩聚、炭化和表面改性等步骤，可以得到满足快充性能的钠离子硬碳材料，该公司产品工艺较国外企业更加简单，成本更加低廉，售价约为海外企业的1/2。根据杉杉科技和贝特瑞公开专利信息，沥青基材料和树脂类材料硬碳工艺均已研发完成。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容主流硬碳前驱体优缺点比较椰壳（生物质）淀粉等多糖（生物质）酚醛树脂等（树脂基）化石燃料基（沥青基）优点 原料量大 杂质较少 强度较高 原料来源广泛 价格低廉 环保可降解 产品形貌均一 产品一致性好 纯度高 工艺可控、可设计 原料来源广泛 价格低廉缺点 国内原料供应不足，目前依赖进口 需要内部交联化、加氢改性等预处理 工艺成本较高 成本高 挥发分较多，存在环保问题 工艺不成熟，产品容量低资料来源：李云明钠离子储能电池碳基负极材料研究、国信证券经济研究所整理表5：主流硬碳前驱体优缺点比较 椰壳类生物质材料是最早被产业化的硬碳前驱体之一，这类材料在自然界中广泛存在，且杂质较少，自身强度比较高，可以为硬碳产品带来稳定的结构，但国内目前满足生产硬碳负极的椰壳原料供应不足，需要依赖进口。淀粉等多糖生物质材料原料较为广泛，价格低廉，且能够被自然降解，环保方面占有优势，目前主要问题在于工艺成本较高，需要额外添加交联剂等添加剂或加氢改性。酚醛树脂类前驱体所得到的硬碳产品均一度较好，纯度也较高，产品一般呈球形颗粒，且因为原料可控，工艺的设计性较强，但缺点是成本较高。沥青基材料的来源非常广泛，且价格低廉，煤系沥青和油系沥青均可使用，但不足之处在于沥青里的挥发分较多，需要额外的尾气处理，增加成本支出，且目前工艺尚不成熟，产品的容量较低。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容生物质基前驱体性能适中，物料来源广泛，为主流路线 生物质基硬碳负极路线原材料来源多样，如核桃壳、果壳、柚子皮、动植物组织等，从生物质基、酚醛树脂基、沥青基三种技术路线来看，生物质基路线产出的硬碳性能适中，物料来源广泛，成本相对合适，目前为主要生产企业的选择。采用不同生物质材料作为前驱体的硬碳负极需要不同的碳化温度，所得到的负极材料首周库伦效率也有着显著不同。温度、湿度、气氛、原料比等因素对产品的质量密度、孔道结构及分布、机械强度、电导率等都有着不同的影响，因此加工工艺在硬碳负极的开发中非常重要。表6：生物质前驱体制备硬碳负极的性能对比资料来源：殷秀平钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展、李旭升钠离子电池碳负极材料的制备及储钠性能研究、国信证券经济研究所整理生物质前驱体 碳化温度（）首周库伦效率（%）比容量（mAh/g）循环次数 容量保持率再生棉 1300 83 315 100 97%核桃壳 1000 71 257 300 70.8%橡树 1000 74.8 360 200 90%樱花瓣 1000 67.3 310.2 500 89.8%海带 1300 64.1 334 200 93%木质素 1100 68 299 300 98%柚皮 700 27 314.5 220 99.3%莲藕茎 1400 70 351 450 94%甲壳胺 800 32.3 245 100 63.3%卤虫囊壳 850 32 325 200 53.3%蛋壳膜 1300 89 310 250 99%动植物组织 1300 91.2 338.2 1000 93%软木 1600 81 358 200 87%木糖 1200 93 363.8 400 92.6%摩洛哥坚果壳-333 100 96%山竹果壳-330 100 98%松果-328 100 91.1%请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容合成聚合物前驱体性能更优但成本高昂合成聚合物前驱体 碳化温度斜坡区比容量（0.1V，mAh/g）平台区比容量（00.1 V，mAh/g）首圈库伦效率/%比容量保持率/%循环次数间苯二酚-甲醛凝胶 1600 69 276 92 94 100酚醛树脂 1250 140 171 60.2 80 100间苯三酚-乙醛酸树脂 1300 100 170 76间苯二酚-甲醛树脂 1300 80 230 84 97 100间苯二酚-甲醛树脂 1100 153 240 82 88 200酚醛树脂 1400 120 290 84 98 40聚丙烯腈 1250 110 161 72聚丙烯腈/磷酸 1000 235 54 55.7 87.8 200聚乙烯吡咯烷酮 1000 200 71 94 100聚乙烯吡咯烷酮/磷酸 1000 323 70 98.2 100聚苯胺纳米线 1150 130 121 50.5 82.2 400聚苯胺/CaCO 700 260 78 54.2 82.9 100聚苯胺颗粒 1150 130 140 50.7 77 500聚苯胺空心纳米纤维 1400 125 200 70.4 96.4 5000聚吡咯纳米纤维 600 172 41.8 88.7 200聚乙撑二氧噻吩 700 309 73.6 94.2 700聚丙烯酸钠 1100 231 110 80 50.2 3000聚氯乙烯 700 271 69.9 77.9 150聚酰胺酸 650 377 35.5 99.1 7000三嵌段共聚物 750 473 79.6 71.9 500表7：合成聚合物前驱体制备硬碳负极的性能对比资料来源：李瑀等合成聚合物衍生硬碳在钠离子电池中的研究进展、国信证券经济研究所整理 合成聚合物前驱体主要包括酚醛树脂，聚丙烯晴等化学合成材料，从目前技术路线性能对比来看，合成聚合物前驱体路线性能较优，包括比容量、库伦效率等，但合成聚合物较生物质基、化石燃料基路线成本高昂。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容化石燃料基前驱体成本低廉但性能较低沥青基前驱体 碳化温度 可逆比容量（mAh/g）首圈库伦效率/%倍率性能中间相沥青/硅 1000 130-中间相沥青/碳酸钙 1000 331 45 53 mAh/g（10 A/g）沥青/酚醛树脂/氯化钠 1100 280.1 75 66 mAh/g（9.6 A/g）沥青/酚醛树脂/氯化钠 1500 215.5 60 97 mAh/g（5 A/g）聚丙烯腈/沥青混纺纤维 800 240 53.8 178 mAh/g（2 A/g）聚丙烯腈/煤焦油沥青混纺纤维 1100 345 53.4 156 mAh/g（5 A/g）石油沥青/氯化钠/氯化钾 800 279 41 90 mAh/g（5 A/g）煤焦油沥青/氯化钠 1000 296 66 124 mAh/g（10 A/g）煤焦油沥青 900 251石油沥青/三聚氰胺/超分子 800 285 42.1 140 mAh/g（5 A/g）沥青/酚醛树脂 1400 284 88 90 mAh/g（0.6 A/g）沥青/木质素 1400 254 82 162 mAh/g（0.3 A/g）煤焦油沥青 700 286 62.6 79 mAh/g（3.2 A/g）初级沥青 1400 300.6 88.6沥青/酚醛树脂 1000 268.3 82 106 mAh/g（1.2 A/g）煤焦油沥青 750 272 121 mAh/g（10 A/g）煤焦油沥青 1000 306 57 125 mAh/g（2 A/g）混合初级沥青 1400 278 80.2 74 mAh/g（0.6 A/g）表8：化石燃料基前驱体制备硬碳的性能对比资料来源：Bin XuThe recent progress of pitch-based carbon anodes in sodium-ion batteries、国信证券经济研究所整理 化石燃料基前驱体主要包括沥青、煤焦油及相关混合物，从目前技术路线性能对比来看，化石燃料基前驱体路线成本低廉，但性能层面包括比容量、倍率性能、库伦效率等较另两条路线较低。请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容生物质具备性价比，是硬碳前驱体较优选择 如下表显示，对比各类负极前驱体成本，生物质基、无烟煤基前驱体成本优势较为突出，树脂基成本较为高昂。对比比容量性能来看，树脂基较为突出，生物质基优于沥青基及无烟煤基，综合性能与成本看，生物质基为12.8-24(Ah/元)优于其他前驱体。考虑售价，我们预估生物质基硬碳负极售价为3-4.5万元，吨毛利估计在1.75万元，预估毛利率约为47%，盈利能力较为突出，是未来硬碳前驱体主要方向。而能够维持较高毛利率的核心壁垒在于批量稳定的生物质原料来源和先进的工艺水平。表9：各类前驱体成本、收率、费用对比资料来源：百川盈孚、鑫锣锂电、国信证券经济研究所整理与测算生物质基 树脂基 沥青基 无烟煤基 石墨（储锂）负极前驱体价格（元/吨）1000-2000 12000-15000 4000 1000-2000 8000-10000收率（%）10%-20%20%-30%50%-60%90%85%负极前驱体材料成本（万元/吨）0.5-2 4-7.5 0.8-1 0.12-0.32 0.95-1.2加工费用（万元/吨）1-1.5 1-1.5 1-1.5 1-1.5 2.5负极生产成本（万元/吨）1.5-2.5 5-9 1.8-2.5 1.1-1.8 3.45-3.7比容量（mAh/g）320-360 380-420 280-300 220-240 350-370单位性能成本比（Ah/元）12.8-24 4.2-8.4 11.2-16.7 18.1-21.8 10.9-12.5负极售价（万元/吨）3-4.5 8-10 3-4.5 2-3 4.5-6.5负极吨毛利（万元/吨，取中间值）1.75 2 1.5 1 1.9预估毛利率（%，取中间值）47%22%40%40%34%请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容第三章 硬碳负极行业进展请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容0.0 00.1 00.2 00.3 00.4 00.5 00.6 0磷 酸 铁 锂 层 状 氧 化 物 普 鲁 士 蓝正 极 材 料 负 极 材 料 隔 膜 电 解 液 铜 箔 铝 箔 其 他钠电池降本空间较大：作为锂电池的理想补充 钠电池的降本空间主要源自于：1）主材的量产化，2）负极集流体方面用铝箔替代铜箔；假设未来碳酸锂价格稳态为20万元/吨价格，我们预计磷酸铁锂电芯成本为0.46元/wh；若碳酸锂价格降至10万元/吨，我们预计磷酸铁锂电芯成本为0.39元/wh。钠离子层状氧化物路线，假设量产后正极材料6万元/吨，负极材料4.5万元/吨，电解液4万元/吨，我们预计电芯成本为0.35元/wh，较磷酸铁锂稳态成本下降约24%；钠离子普鲁士蓝路线，假设量产后正极材料3万元/吨，负极材料4.5万元/吨，电解液4万元/吨，我们预计电芯成本为0.27元/wh，较磷酸铁锂稳态成本下降约40%；图18：量产后钠电池与磷酸铁锂电池成本比较（元/wh)资料来源：GGII、鑫锣锂电、国信证券经济研究所整理与测算0.46 0.35 0.2724%40%请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容全球钠电池及硬碳负极市场空间测算（乐观假设）我们预计2023年全球钠离子电池市场需求有望达到4GWh，2026年需求有望突破120GWh，对应市场空间突破600亿元；硬碳负极方面，我们预计2026年需求量达到16.23万吨，对应市场空间有望达到73亿元。表10：全球钠电池及硬碳负极市场空间测算（亿元）资料来源：GGII、鑫锣锂电、国信证券经济研究所整理与预测 注：当前市场缺乏中远期硬碳负极定价和盈利的参考，单吨毛利预测仅供参考。2022E 2023E 2024E 2025E 2026E全球储能电池需求（GWh）114 180 270 370 500全球储能领域钠电池渗透率（%）1%3%8%15%全球储能领域钠电池需求量（GWh）1.8 8.1 29.6 75全球电动二轮车电池需求（GWh）27.2 35.5 44.2 50.3 55全球电动二轮车领域钠电池渗透率（%）6%16%30%45%全球电动二轮车领域钠电池需求量（GWh）2.13 7.072 15.09 24.75全球电踏车销量（万辆）1094 1313 1575 1811 2100单车带电量（kWh）0.5 0.5 0.5 0.5 0.5钠电池渗透率（%）6%12%25%40%全球电踏车钠电池需求（GWh）0.39 0.95 2.26 4.20 全球商用车电池需求（GWh）44 52 56 61 65全球商用车钠电池渗透率（%）1%7%15%25%全球商用车钠电池需求量（GWh）0.52 3.92 9.15 16.25全球钠电池需求（GWh）4.8 20.0 56.1 120.2 全球钠电池市场空间(亿元）33.9 120.2 308.6 601.0 硬碳负极单耗（吨/GWh）1500 1450 1400 1350硬碳负极需求量（万吨）0.73 2.91 7.85 16.23 硬碳负极单价（万元/吨）8 6 5 4.5钠电池硬碳负极市场空间（亿元）5.8 17.4 39.3 73.0 硬碳负极单吨毛利（万元/吨）4 2.5 2.1 1.75硬碳负极毛利润空间（亿元）（乐观假设）2.91 7.26 16.49 28.40 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容行业内各公司进展比较公司名称 进展日本可乐丽 采用椰子壳作为前驱体，已实现量产，产品售价高于20万/吨佰思格 采用葡萄糖、糖、淀粉、纤维素、木质素、木屑、竹屑、椰子壳或坚果壳等生物质材料作为前驱体，成本仅为进口产品的1/2。目前拥有2000吨产能，新产线正在建设。贝特瑞（835185.BJ）2009年起研究和布局硬碳，无定型碳等负极材料，目前拥有硬碳产能400吨；专利方面布局主要包括稻壳、玉米芯、果壳等植物类原料制备的硬碳材料技术路线；中科电气（300035.SZ）拥有硬碳负极多项产能，前驱体覆盖树脂类、生物质和难石墨化焦类等原料。硬碳产线处于小试阶段，钠离子电池所需要的硬碳材料的生产与现有石墨类负极材料生产的部分产能可以共用，公司有持续进行钠离子电池所需的硬碳材料的开发。杉杉股份（600884.SH）硬碳研发始于2016年，软/硬碳路线均有涉及。据公司21年年报显示，2021年在钠离子电池方向也已向相关电池企业进行了百公斤级的供货。软碳方
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