2021年碳納米管(CNT)行業現狀，動力電池進一步推動行業發展
一、碳納米管綜述
碳納米管又稱巴基管，英文簡稱CNT，是由單層或多層的石墨烯層圍繞中心軸按一定的螺旋角捲曲而成一維量子材料。其最早在1991年由飯島澄男發現。碳納米管的長徑比、碳純度作為影響導電性的兩個核心指標，直接決定了碳納米管的產品性能，碳納米管管徑越細，長度越長，導電性能越好。
CNT具有突出的多方面性能：1）力學性能：具有極高的彈性和韌性，楊氏模量是鋼的近6倍、抗拉強度是鋼的100倍，也是目前自然界中比強度最高的材料。2）電學性能：導電性顯著優於石墨烯、炭黑等材料，且管徑越細、長度越長，導電性越好。3）導熱性能：極高的導熱率，室温下導熱率是金剛石的2倍。軸嚮導熱性能優、徑向導熱較差，可合成各向異性的導熱材料。4）化學穩定性：具有耐酸性、耐鹼性，在高分子複合材料中添加碳納米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。5）嵌鋰性能優異：碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結構中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲空間和運輸通道。
部分碳材料導電性能對比（單位：Ω）
資料來源：天奈科技招股説明書，華經產業研究院整理
在商業用途中，碳納米管根據石墨烯層數差異可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。單壁碳納米管優勢體現為：1）結構簡單、化學性質穩定：多壁碳納米管形成過程中層與層之間容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，而單壁碳納米管結構簡單、均勻一致性好，且缺陷少、化學性質穩定。2）添加量少、導電性優：由於單壁碳納米管長度-直徑比較高，其能夠在極低添加量下形成三維導電網絡。同時，單壁碳納米管有一層碳原子，並根據空間的螺旋特性可表現出金屬或半導體性能。此外，其強大的碳碳鍵使得其能夠有更高的載流量，電流密度能夠高於銅等金屬1000倍以上。3）彈性好、機械性能高：單壁碳納米管具有更強的柔韌性，能夠更好的彎曲、扭曲或扭結，其彈性模量和抗拉強度顯著優於多壁碳納米管。4）導熱性好：單壁碳納米管的單位質量導熱係數高於多壁碳納米管，同時二者都能夠承受750℃以上的高温。5）製成品顏色多樣：多壁碳納米管通過提高添加量來改善機械性能和導電性，這會影響產品表面質量和顏色，如其只能生產黑色材料。由於單壁碳納米管添加量普遍在0.01-0.1%，因而能夠生產任何顏色以及透明導電材料。
單壁碳納米管與多壁碳納米管對比
資料來源：公開資料整理
CNT主要製備方法為化學氣相沉積法（CVD），該方法是目前業界最主流的製備方法。其是將烴類或含碳氧化物引入到含有催化劑的高温管式爐中，通過催化裂解方式製備碳納米管，關鍵環節是碳納米管在催化劑表面進行生長的過程。具體的反應過程包括碳源化合物在催化劑表面分解，碳原子通過表面擴散或者體相擴散進入催化劑內部，最後碳納米管從催化劑顆粒中析出。該方法操作簡單、成本低、過程可控性強。
碳納米管生產工藝
資料來源：公開資料整理
二、碳納米管產業鏈
從碳納米管產業鏈來看，產業鏈上游是石油化工行業，主要原材料是丙烯、液氮；中游碳納米管生產包括導電漿料和導電母粒；下游碳納米管導電漿料主要應用於鋰電池服務新能源汽車產業和3C數碼產業，碳納米管填充導電塑料主要應用於服務電力基礎設施、半導體產業等。
碳納米管產業鏈
資料來源：天奈科技招股説明書，華經產業研究院整理
根據天奈科技2020年成本構成情況，碳納米管漿料的原材料成本佔比高達70%，原材料主要為NMP、丙烯、分散劑、液氮等，其中NMP佔比高達89%。
2020年碳納米管成本及原材料成本結構
資料來源：天奈科技公告，華經產業研究院整理
相關報告：華經產業研究院發佈的《2022-2027年中國碳納米管行業市場運行現狀及投資戰略研究報告》
三、碳納米管行業現狀分析
1、全球市場
從市場需求量情況來看，全球碳納米管粉體/漿料市場需求持續提升。據GGII數據，2021年全球碳納米管粉體需求量為0.4萬噸，碳納米管漿料需求量為9萬噸。預計到2025年全球市場需求量將分別達到2.4萬噸/59萬噸。
2019-2025年全球碳納米管市場需求量情況
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從市場規模來看，2021年全球碳納米管粉體市場規模為9億元，碳納米管漿料市場規模為35億元。預計2025年市場規模將分別達到60/224億元。
2019-2025年全球碳納米管市場規模情況
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從下游需求結構來看，目前，商業化且大規模應用的領域主要集中於鋰電池導電劑和導電塑料。據測算，目前超過75%的需求來自鋰電池導電劑領域。
2021年碳納米管下游需求結構佔比情況
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
下游鋰電池市場主要包括磷酸鐵鋰電池和三元電池。從全球磷酸鐵鋰市場來看，CNT能夠全方位提高磷酸鐵鋰電池性能，特別是增強正極和集流體表面導電性，減少電子在電極局部的極化，加快電子遷移，改善倍率性能。磷酸鐵鋰電池添加的CNT導電劑比例更高，伴隨磷酸鐵鋰裝機佔比提升，CNT出貨有望快速增長。據GGII數據，2021年全球磷酸鐵鋰電池碳納米管漿料需求量為5萬噸，市場規模達到18億元。
2019-2025年全球磷酸鐵鋰碳納米管漿料市場現狀
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從全球三元電池市場來看，2021年全球三元電池碳納米管漿料需求量為3.2萬噸，市場規模達到13億元。
2019-2025年全球三元電池碳納米管漿料市場現狀
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從全球碳納米管粉體市場來看，2021年全球單臂碳納米管粉體需求量為11噸，市場規模為1.1億元。
2019-2025年全球單臂碳納米管粉體市場現狀
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
2、中國市場
從給國內市場來看，在高能量密度鋰電需求的帶動下，碳納米管導電漿料出貨量將保持高增長趨勢，到2025年有望突破32萬噸。根據GGII，2021年我國碳納米管導電漿料出貨量為7.8萬噸，同比增長62.5%，2016-2021年出貨量年複合增長率為41%。預計未來五年中國碳納米管導電漿料市場銷量將保持高增長的趨勢，到2025年，中國碳納米管導電漿料出貨量將突破32萬噸。
2016-2025年中國碳納米管導電漿料出貨量及增速
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從國內導電劑結構情況來看，2021年中國新型導電劑漿料市場總規模達到9.8萬噸，同比2020年增長61.5%；其中碳納米管導電漿料市場規模為7.8萬噸，佔比79.6%。而在動力電池導電劑結構中，由於炭黑價格便宜，市場應用目前最為廣泛，碳納米管佔比為27%。
2021年中國動力電池導電劑佔比情況
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
四、碳納米管行業競爭格局分析
1、市場集中度
從市場集中度情況來看，碳納米管行業2018-2020年，CR3/CR5分別從68.0%/87.7%提升至75.7%/89.1%，行業持續集中。橫向對比來看，碳納米管行業集中度顯著高於四大鋰電主材環節。
2020年中國鋰電材料行業CR3和CR5集中度
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
從碳納米管行業競爭格局來看，天奈科技在碳納米管行業地位穩固。根據GGII數據，2021年國內碳納米管導電漿體行業中天奈科技出貨量多年蟬聯第一，市佔率達到43.4%，主要是供應高端鋰電池市場，與20年32.3%市場份額相比，佔比大幅提高，；位居第二的集越納米2020年市佔率為23.8%下降至2021年的15.3%；卡博特位居第三，2021年市場佔比為20%，大幅下降。海外企業中卡博特收購三順納米切入該領域，LG化學依託自身化工優勢自研。
2020-2021年中國碳納米管導電漿料市場競爭格局
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
2、設備及專利情況
碳納米管生產中主要使用的設備有超高温爐、碳化反應器、石墨化爐、砂磨機等。碳納米管體積密度小、比表面積大，生產中易出現纏繞，連續化生產難度高。行業內企業普遍會對流化牀反應器、純化和分散設備進行改造、甚至自主設計，以此提高生產效率和連續性。從碳納米管及其設備專利情況來看，截止2022年1月底天奈科技共擁有59項碳納米管相關專利，其中設備改進相關專利為33項，佔比達到56%。
碳納米管企業專利數量及其設備專利佔比
資料來源：天奈科技公告，華經產業研究院整理
3、重點企業介紹
目前碳納米管導電漿料生產企業主要集中在國內，國外則主要掌握性價比更高的炭黑類導電劑，但由於碳納米管導電性能優異以及成本性價比提速，國外企業也開始加速佈局CNT。具體企業介紹概覽情況如下：
碳納米管主要生產企業情況
資料來源：公司公開報告，華經產業研究院整理
五、碳納米管行業未來發展趨勢
1、動力電池市場快速增長，成為導電劑市場增長的主要驅動力
據工信部數據，2021年中國鋰電池市場受動力電池以及儲能電池需求增長帶動，出貨量達到327GWh，同比增長129.7%。其中，儲能電池出貨48GWh，同比增長196%；動力鋰電池出貨量為226GWh，同比增長183%。
2021年全球新能源汽車銷量再創新高，達到675萬輛，同比增長108%。其中，中國新能源汽車市場持續突破，產銷同比增長160%以上，銷量達352萬輛。2021年中國新能源汽車滲透率為13.4%，增長超預期，預計將繼續保持快速增長態勢。預計2022年，中國動力鋰電池出貨量將達到450GWh，從而帶動上游材料的應用需求。
2016-2022年中國動力鋰電池出貨量及增速情況
資料來源：工信部，華經產業研究院整理
2、動力電池領域對大倍率充放電需求提升，帶動導電劑應用增多
受益於動力電池快充等性能升級需求，帶動整個鋰電材料體系的升級要求，例如高鎳、三元和硅碳負極的普及使用，未來以CNT為代表的新型導電劑性價比和滲透率將逐步提升。中國電力企業聯合會表示，大功率充電技術目標是近期滿足10分鐘至15分鐘實現充電80%，未來功率將達到900kW。縮減充電時間是電動產品提升便捷性的必要因素,是動力和數碼電池領域未來發展方向，目前數碼電池倍率性能達到1.5C，動力電池倍率性能達到4-5C，倍率性能的提升推動碳納米管導電劑用量的提升。
3、電池向高鎳化發展以及硅碳使用量的提升，碳納米管導電劑滲透率提高
2021年中國動力電池市場仍以炭黑為主，以碳納米管為代表的新型導電劑市場份額快速提升，頭部動力電池企業在碳納米管產品應用領域滲透率正在快速提升。據高工產研鋰電研究所GGII預計，到2025年，碳納米管導電漿料在動力電池領域佔比將達61%，碳納米管導電漿料滲透率提升，主要受動力電池高鎳化以及硅碳使用量提升帶動，加之市場對快充技術的推廣與應用的加快，進一步有助於提升碳納米管產品的使用。
2025年中國動力電池導電劑佔比情況
資料來源：GGII，華經產業研究院整理
華經情報網隸屬於華經產業研究院，專注大中華區產業經濟情報及研究，目前主要提供的產品和服務包括傳統及新興行業研究、商業計劃書、可行性研究、市場調研、專題報告、定製報告等。涵蓋文化體育、物流旅遊、健康養老、生物醫藥、能源化工、裝備製造、汽車電子、農林牧漁等領域，還深入研究智慧城市、智慧生活、智慧製造、新能源、新材料、新消費、新金融、人工智能、“互聯網+”等新興領域。