发布日期：2022年01月20日

　　国际曾有专家预言“20世纪是硅的世纪，21世纪将是碳的世纪”。21世纪极有发展前途的新型碳材料有碳纳米管、碳纤维、碳碳复合材料、金刚石、石墨烯、富勒烯等。碳纳米管凭借其优异的电学、力学、化学等性能，在锂电池、导电塑料、芯片制造等领域显示出巨大的应用潜能。目前碳纳米管主要作为新型导电剂应用于锂电池领域。近年来，碳纳米管加速替代传统导电剂炭黑，已经成为动力锂电池领域的主流导电剂。

碳纳米概况

1、碳纳米管基本概念

　　碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。

2、碳纳米管分类

　　碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs）。与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁碳纳米管典型直径在0.6~2nm，多壁碳纳米管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2~100nm。

　　碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。

3、碳纳米管的性能优势

　　碳纳米管具有良好的力学性能。碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。按理论计算，碳纳米管的强度可为钢的100倍，而密度只有钢的1/6。碳纳米管还有极高的韧性，硬而不脆，当外部施加巨大的压力时，碳纳米管会发生弯曲、打卷绞结的情况，但是不会断裂；当外力释放后，碳纳米管又将恢复原状。

　　碳纳米管具有良好的导电性能。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论上碳纳米管导电性能仅次于超导体。电子通过碳纳米管时不会产生热量，因此能量损失微小，其导电性能优于常规导电材料。

　　碳纳米管具有良好的传热性能。碳纳米管沿着长度方向的热交换性能很高，可以迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料，其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3~6倍。

　　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，可以应用于航天、航空、国防、军工等领域。

　　碳纳米管还具有光学等其他良好的性能。

碳纳米管产业链

来源：公开资料整理

1、碳纳米管产业链上游

　　制造碳纳米管的原料主要有N-甲基吡咯烷酮（NMP）、丙烯、液氮、分散剂等。碳纳米管制备过程中必须辅以催化剂催化，否则所得产物只是无定形碳。只有加入催化剂后生成物中才含有大量的单、多壁碳纳米管。

2、碳纳米管产业链中游

　　常用的碳纳米管制备方法有化学气相沉积法（CVD）、激光蒸发法、石墨电弧法和水热法，其中工业化生产常用的方法是化学气相沉积法。碳纳米管不同生产工艺间的优缺点如下表所示。

来源：天奈科技招股说明书

3、碳纳米管产业链下游

　　碳纳米管下游应用领域包括锂电池、导电塑料、芯片制造等领域。根据中研普华研究院数据，2020年中国碳纳米管作为新型导电剂应用于锂电池的比例占77%。

资料来源：中研普华研究院

锂电池用碳纳米管市场规模

　　根据起点研究院（SPIR）统计，2020年全球锂电池用碳纳米管出货量为8.9万吨，同比增长50.8%。起点研究院（SPIR）预计全球碳纳米管导电浆料需求量到2025年将达 59.6万吨。

2016--2025年全球锂电池用碳纳米管出货量及预测（/万吨）

资料来源：起点研究院

　　从市场规模看，2020年全球锂电池碳纳米管市场规模为34.7亿元，同比2019年增长47%。预计到2025年为202.6亿元，相比2020年增长483.8%。

2016-2025年全球锂电池用碳纳米管市场规模（亿元）

资料来源：起点研究院

　　根据GGII，2020年我国碳纳米管导电浆料出货量为4.8万吨，2016-2020年出货量年复合增长率为36%。据GGII预计，2021年我国碳纳米管导电浆料出货量将达7.2万吨，未来五年中国碳纳米管导电浆料市场销量将保持高增长的趋势，到2025年，中国碳纳米管导电浆料出货量将突破32万吨。

资料来源：GGII，华经产业研究院

　　参考起点研究院2020年全球锂电池用碳纳米管销售单价3.9万元/吨，估算2020年中国锂电池用碳纳米管市场规模约为19亿元。

碳纳米管在动力锂电池领域替代炭黑的逻辑

1、碳纳米管性价比优于炭黑

　　相较于炭黑，碳纳米管具有更好的导电性能，达到同样的导电效果，碳纳米管的用量仅为炭黑的1/6~1/2。虽然碳纳米管单价是炭黑单价的10倍，但碳纳米管较低的掺杂量使得其总体花费为炭黑的1.4~5.5倍。导电剂仅占锂电池成本的2%左右，下游锂电池企业宁德时代、比亚迪等已经开始使用性价比高的碳纳米管导电剂。

2、碳纳米管渗透率的提升

　　根据高工锂电数据，碳纳米管导电剂在中国动力锂电池导电剂市场的渗透率呈现逐年上升趋势。近几年，受益于新能源汽车行业快速发展，动力锂电池为提高其性能对碳纳米管导电浆料替代需求上升，碳纳米管导电剂已经进入快速渗透阶段。预计2022年，碳纳米管导电剂在中国动力锂电池导电剂中的市场占有率达到70%。

2015-2025年中国动力锂电池导电剂渗透情况

资料来源：高工锂电，方正证券研究所

碳纳米管行业竞争格局

　　整体而言，碳纳米管生产技术要求高，行业集中度高。根据高工锂电数据，2018年，中国碳纳米管导电浆料销售额排名前三的企业分别是天奈科技、三顺纳米、青岛昊鑫，市占率分别为34.1%、18.9%、15.3%，CR3达到68.3%,排名前五的企业市占率达到87.6%。

资料来源：高工锂电，天奈科技招股说明书

碳纳米管行业发展方向

　　更高长径比、更高纯度、更好分散度、更高生产效率是新型导电剂-碳纳米管的发展方向。目前市场上的碳纳米管基本为多壁碳纳米管，而单壁碳纳米管因为直径小、长径比更大具有更优异的性能，对电池循环性及容量的提升更为明显。单壁碳纳米管用量更少，能够进一步降低锂电池中导电剂的含量。但是目前单壁碳纳米管生产成本较高，价格较高，不能被市场接受。单壁碳纳米管的产业化是各碳纳米管生产企业未来研发的方向。我们要关注的重点是单壁碳纳米管性价比的提升。