钠电池由于其成本优势突出重围，产业链加速布局，大规模商业化在即。锂资源价格不断上涨，钠电池资源存量丰富，具有更好的安全性，倍率性能、低温性能优异，在能量密度、循环寿命方面相较锂电池略有不足。在成本方面，根据中科院物理所胡勇胜老师团队测算，铜铁锰层状氧化物、普鲁士白类、镍铁层状氧化物三种材料体系的钠离子电池理论BOM成本分别为0.26元/Wh、0.26元/Wh、0.31元/Wh，相比锂电池成本优势显著。目前传统锂电企业与初创钠电企业均在加速布局钠电池相关产能。
　　钠电池众多负极材料路线中，硬碳具有极强的商业化潜力。目前关于钠电池负极材料的选择主要有碳基材料、基于转化及合金化反应的材料、有机材料、金属氧化物等技术路线，碳基材料来源广泛、储钠能力强，已成为目前主流选择。碳基材料按照经过高温处理后是否会石墨化可以分成硬碳和软碳，硬碳材料储钠活性位点多，比容量高，嵌钠后体积膨胀小、安全性好、结构稳定，对比优势明显。国内厂商加速布局硬碳产能，规模化生产之后有望进一步降本，深化钠电池的成本优势。
　　硬碳前驱体原材料来源丰富，生物质路线未来可期。目前硬碳采用的前驱体原料主要有生物质、树脂基和石油基等。树脂基制备出的硬碳性能优势明显，但成本昂贵，产业化难度大；石油基前驱体成本低廉，原料易获取，性价比高，但性能一般，且存在环境污染问题；生物质具有丰富的杂原子和独特的微观结构，通过碳化植物生物质基材制备的硬碳，保留了植物生物质模板中的材料结构和孔隙通道，表现出更高的充放电比容量、优异的倍率和循环性能。兼具高性能与低成本优势，是目前大多数负极厂商所布局的方向。
　　目前新老厂商对于硬碳负极前驱体材料的选择和工艺路线均呈多路并行态势。佰思格是国内首家量产硬碳材料的企业，聚焦硬碳，团队技术研发优势明显；杉杉股份作为负极头部企业，布局硬碳领域多年；圣泉集团自主研发生物质秸秆精炼技术，依托秸秆项目副产的生物炭作为原料，具有明显成本优势；贝特瑞研发成果卓著，负极产品硅基与硬碳创新迭代；翔丰华在各项前驱体技术路线皆有布局；生物质硬碳与电容炭制备工艺具有一定相似性，元力股份作为活性炭龙头，也在持续推进硬碳产品的制备。
　　投资建议：
　　随着钠离子电池材料体系的成熟和产能近一步规模化，性能优异且量产速度快速的公司有望获益；建议关注钠离子电池硬碳布局企业元力股份、杉杉股份、圣泉集团。
　　风险提示：钠离子电池渗透率不及预期；硬碳负极材料产业化受阻；竞争加剧所导致的产能过剩。

研究报告全文：行业研证券研究报告究industryId电气设备title钠电硬碳负极多路并行生物质路线未来可期investSuggestion推荐维持investS行uggesticreateTime12023年3月9日业onChange深投资要点度分析师emailAuthorsummary钠电池由于其成本优势突出重围产业链加速布局大规模商业化在即锂研王帅资源价格不断上涨钠电池资源存量丰富具有更好的安全性倍率性能wangshuai21xyzqcomcn低温性能优异在能量密度循环寿命方面相较锂电池略有不足在成本方究S0190521110001面根据中科院物理所胡勇胜老师团队测算铜铁锰层状氧化物普鲁士白报类镍铁层状氧化物三种材料体系的钠离子电池理论BOM成本分别为026告元Wh026元Wh031元Wh相比锂电池成本优势显著目前传统锂电企业与初创钠电企业均在加速布局钠电池相关产能钠电池众多负极材料路线中硬碳具有极强的商业化潜力目前关于钠电池负极材料的选择主要有碳基材料基于转化及合金化反应的材料有机材料金属氧化物等技术路线碳基材料来源广泛储钠能力强已成为目前主流选择碳基材料按照经过高温处理后是否会石墨化可以分成硬碳和软碳硬碳材料储钠活性位点多比容量高嵌钠后体积膨胀小安全性好结构稳定对比优势明显国内厂商加速布局硬碳产能规模化生产之后有望进一步降本深化钠电池的成本优势硬碳前驱体原材料来源丰富生物质路线未来可期目前硬碳采用的前驱体原料主要有生物质树脂基和石油基等树脂基制备出的硬碳性能优势明显但成本昂贵产业化难度大石油基前驱体成本低廉原料易获取性价比高但性能一般且存在环境污染问题生物质具有丰富的杂原子和独特的微观结构通过碳化植物生物质基材制备的硬碳保留了植物生物质模板中的材料结构和孔隙通道表现出更高的充放电比容量优异的倍率和循环性能兼具高性能与低成本优势是目前大多数负极厂商所布局的方向目前新老厂商对于硬碳负极前驱体材料的选择和工艺路线均呈多路并行态势佰思格是国内首家量产硬碳材料的企业聚焦硬碳团队技术研发优势明显杉杉股份作为负极头部企业布局硬碳领域多年圣泉集团自主研发生物质秸秆精炼技术依托秸秆项目副产的生物炭作为原料具有明显成本优势贝特瑞研发成果卓著负极产品硅基与硬碳创新迭代翔丰华在各项前驱体技术路线皆有布局生物质硬碳与电容炭制备工艺具有一定相似性元力股份作为活性炭龙头也在持续推进硬碳产品的制备投资建议随着钠离子电池材料体系的成熟和产能近一步规模化性能优异且量产速度快速的公司有望获益建议关注钠离子电池硬碳布局企业元力股份杉杉股份圣泉集团风险提示钠离子电池渗透率不及预期硬碳负极材料产业化受阻竞争加剧所导致的产能过剩请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明行业深度研究报告目录1锂价高企钠电池发展迎来新机遇-4-11钠电池由于其成本优势突出重围或将成为锂电池的有效补充-4-12钠电池产业链加速布局大规模商业化在即-5-2硬碳成为当下钠电池首选负极材料-7-21钠电池众多负极材料路线中硬碳具有极强的商业化潜力-7-22负极是钠电池的核心材料国内厂商正全力布局硬碳产能-9-23硬碳前驱体工艺多路并行生物质路线未来可期-11-3行业公司齐发力路线选择以生物质为主-19-31佰思格国内首家量产硬碳企业技术优势明显-19-32杉杉股份以生物质树脂基路线为主广泛布局专利-21-33圣泉集团打造生物质精炼一体化产业集群最大程度降本-24-34元力股份深耕活性炭行业积极布局硬碳负极-26-4风险提示-31-图目录图1碳酸锂价格趋势万元吨-4-图2钠离子电池在安全性低温性能快充性能等方面存在优势-4-图3钠离子电池产业链-5-图4石钠片层活性小储钠活性较低-7-图5钠离子-石墨嵌入反应结合能大于0-7-图6钠离子无法与石墨形成一阶稳定插层化合物膨胀石墨可改善问题-7-图7合金材料体积膨胀问题难以解决-8-图8碳基材料综合性能好已成为主流选择-8-图9硬碳卡牌屋储钠模型-9-图10硬碳储钠活性位点图-9-图11钠离子电池和锂离子电池材料成本对比-10-图12不同前驱体所制备的负极材料也不同-11-图13不同前驱体硬碳负极材料制备流程-12-图14树脂基大孔硬碳充放电曲线-13-图15离子催化合成的酚醛树脂基硬碳-13-图16预氧化策略调控沥青基碳结构扩大储钠容量-14-图17活化银杏叶的多孔碳结构-14-图18分层多孔碳纳米网的扫描电镜图-15-图19碳化樱花花瓣表面大量类似蜂窝的褶皱区域-15-图20国内企业硬碳材料专利布局情况-18-图21钠离子电池理论市场空间GWh-18-图22佰思格发展历程-20-图23杉杉股份营收与利润情况-22-图24杉杉股份毛利率与净利率近年来持续向好-22-图25杉杉股份研发投入呈上升趋势-22-图26圣泉集团营收与利润情况-24-图27圣泉集团毛利率与净利率-24-图28圣泉集团分产品营收-24-图29圣泉集团自主研发的生物质溶剂化秸秆精炼技术-25-图30元力股份营收与利润情况-28-图31元力股份分产品营收-28-图32元力股份物理法化学法一体化生产流程示意图-28-请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-2-行业深度研究报告表目录表1钠离子电池与其他电池性能对比-5-表2钠离子电池产业链布局进展梳理-6-表3钠离子电池各负极材料技术路线对比-8-表4行业内各公司硬碳产能情况-10-表5硬碳3种技术路线的优缺点对比-12-表6合成聚合物衍生硬碳的电化学性能-13-表7不同生物质前驱体制备硬碳的性能对比-15-表8各公司硬碳前驱体工艺路线与性能对比-17-表9国内硬碳负极需求预测-19-表10佰思格创始人团队-19-表11佰思格硬碳产品-20-表12佰思格硬碳专利布局-21-表13杉杉股份硬碳产品研发进展-23-表14杉杉股份硬碳专利布局-23-表15圣泉集团硬碳产品性能-25-表16各生物质硬碳前驱体含碳量对比-26-表17元力股份主要产品-27-表18元力生物基材料处理技术-29-表19佰思格杉杉股份圣泉集团元力股份硬碳产品对比-30-表20行业相关公司估值-30-请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-3-行业深度研究报告报告正文1锂价高企钠电池发展迎来新机遇11钠电池由于其成本优势突出重围或将成为锂电池的有效补充锂资源价格不断上涨成本优势驱动钠电池产业化加速随着新能源车市场的快速兴起和爆发以碳酸锂为代表的锂电池材料价格持续上涨目前电池级碳酸锂的平均报价已升至50万元吨以上远高于两年前4万元吨左右锂电池成本的居高不下推动了钠电池产业链的加速布局数据显示截止2023年2月26日纯碱现货价仅为2948元吨意味着钠电池存在明显的原材料成本优势性价比较高另一方面钠资源较锂资源而言限制程度较低我国钠资源存量丰富分布广泛可以支撑产业链大规模可持续发展同时保障我国的能源安全与锂电池进行对比钠电池具有的优势是更好的安全性发热少温度低倍率性能优异如宁德时代第一代钠电池的充电速度约为锂电池的两倍低温性能优异电化学性能稳定所具有的劣势是钠电池在能量密度循环寿命方面仍存在天然的不足由此决定了钠电池未来将在低速电动车两轮车储能等领域形成对锂电池的有效补充和替代以缓解锂电池成本持续上涨给供应链带来的压力图1碳酸锂价格趋势万元吨图2钠离子电池在安全性低温性能快充性能等方面存在优势60504030201002017-03-232017-05-092017-06-132017-07-202017-09-202017-12-252018-03-022018-06-072018-08-092018-10-162018-12-202019-02-132019-04-222019-07-292019-11-112020-02-242020-05-212020-09-242021-01-072021-04-012021-06-212021-09-022021-11-252022-02-172022-05-122022-07-252022-10-24资料来源Wind兴业证券经济与金融研究院整理资料来源WoodMakenzie兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-4-行业深度研究报告表1钠离子电池与其他电池性能对比铅酸电池三元电池磷酸铁锂电池钠电池能量密度Whkg30-50180-280150-19080-160循环次数次300-5001000-20003000-60001200-2000单体电池成本元Wh03070405-07单位能量原材料成本元Wh0405-0703-05035-07零下20度容量保持度低于60大于70低于70低于80资料来源钠离子电池锰酸钠正极材料研究进展与发展趋势中国储能网兴业证券经济与金融研究院整理12钠电池产业链加速布局大规模商业化在即得益于锂电产业链的成熟各厂商高效布局钠电上下游与锂电池工作原理相同钠电池同样是依靠离子在正负极间往返嵌入脱出的摇椅式电池从制备工艺和生产路线上来看二者高度相似因此钠电池可与锂电池共用已有产线中的大多数环节生产体系相通整体技术壁垒较小产线建设成本小助力多家厂商加速布局钠电池相关产能目前来看无论是传统锂电企业还是初创钠电企业钠电池相关技术都在不断成熟图3钠离子电池产业链资料来源乐晴智库兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-5-行业深度研究报告表2钠离子电池产业链布局进展梳理环节公司布局进展2021年7月公司发布第一代钠离子电池性能超预期单体能量密度达到160Whkg为目前全球最高水平具备优异的快充性能常温下充电15分钟即可达到80电量-20的低温环境宁德时代下具有90以上的放电保持率系统集成效率达80采用AB电池解决方案创新性地将钠离子与锂离子电池按照一定比例和排列同时集成到电池系统中既弥补了钠离子电池的能量密度短板也发挥了其在低温及高功率场景下的优势2023年有望实现量产主要应用在乘用车方向目前公司聚阴离子路线钠电池能量密度为100Whkg循环次数大于5000次产业链布局方面2021对成都佰思格进行增资增资完成后持有佰思格833的股份成都佰思格的主要产品为动电芯鹏辉能源力储能炭负极材料其中钠离子用硬碳材料比容量330mAhg并具有零膨胀特性相较进口产品性价比较高公司产能加速扩张10月公司发布公告称其钠离子电池一期项目从2GWh调整至45GWh目前传艺科技产能有序推进预计2023年年初正式投产二期项目规划产能8GWh产品性能单体能量密度150-160WhKg循环次数大于4000次中试线200MWh已正式投产9月与浙江钠创新能源签订战略合作协议浙江钠创在未来向公司供应原材料与提供技术支持维科技术10月28日公司公告称拟建设年产能2GWh钠离子电池项目预计2023年实现少量出货亿纬锂能新一代大圆柱电池的研发样品能量密度为350Whkg可实现9分钟超快充在CTP集成技术基础上应用高效复合新型材料和新型胶黏剂电池系统减重10能量密度达亿纬锂能260Whkg基于层状氧化物正极与硬碳负极以C40铝壳为载体其设计的大圆柱钠离子电池比能量达135WhKg公司目前确立技术路线为层状氧化物路线和普鲁士蓝白路线行业领先目前产能建设2023年容百科技年初预计月出货量百吨年底预计月出货量达千吨级别预计2025年公司钠电正极产能达10万吨公司选择层状氧化物路线目前已升级至第二代产品目前产能进度截至2022年9月公司正极振华新材钠离子电池正极材料累计送样068吨销售535吨2022年11月与七彩化学共同出资设立子公司拟建设年产能18万吨的电池级普鲁士蓝美联新材白可配套钠离子储能电池90GWh选择生物质路线硬碳产品压实密度达到172gml1C放电首次容量达到362mAhg首效佰思格925性能可满足动力电池需求三代产品布局2000吨年自动生产线已达产公司为国内活性炭的龙头企业具备深厚的果壳基竹基和稻壳基活性炭加工技术未来有望将元力股份活性炭颗粒的技术延伸至钠电硬碳领域实现生物质基硬碳材料的量产公司生产的沥青基硬碳首次可逆容量在480mAhg以上首效高于85产能进展已实现硬炭杉杉股份产业化为电芯头部企业批量供货预计2023年硬炭产能达到300吨2024年产能1000吨负极技术路线布局包括稻壳玉米芯果壳等生物质树脂基硬碳充放电可逆容量485mAhg首贝特瑞效80在常温1C循环100周容量保持率96目前拥有硬碳产能400吨公司依托自主研发的生物质溶剂化秸秆精炼技术制备生物炭和硬碳一代产品可量产比容量300mAhg首效88压实密度11-12gcm3二代产品即将推出比容圣泉集团量330mAhg首效90压实密度115-12gcm3三代产品正在研发比容量350mAhg首效90压实密度12gcm3布局年产10万吨生物质硬碳负极项目天赐材料2022年8月公司发布公告称拟建设年产能1万吨的六氟磷酸钠产线新宙邦推出一款低温性能良好的钠离子电池电解液常温下循环次数超2500周电解液公司目前具备六氟磷酸钠产能1000吨六氟磷酸锂产线与六氟磷酸钠产线可快速切换添加多氟多剂正在新建年产1万吨PVDF该项目计划于2023年内投产公司现已实现了钠离子电池成品下线评测目前正在准备扩大批次产量钠离子电池现有产能1GWh资料来源各公司公告兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-6-行业深度研究报告2硬碳成为当下钠电池首选负极材料21钠电池众多负极材料路线中硬碳具有极强的商业化潜力石墨负极难以适用于钠电池负极材料需重新选型负极材料起着负载钠离子的重要作用是钠电池的核心构成材料直接影响到电池的能量密度循环性能首次效率等性能在锂离子电池产业链中已经成熟的石墨负极在钠电池中难以适用这是由于其片层间距仅为03354纳米而钠离子原子半径比锂离子大35以上无法与石墨形成热稳定的插层化合物使其应用受到很大限制另外研究表明钠离子-石墨嵌入反应的结合能G大于0导致钠离子在石墨层间进行嵌脱的有效性下降在选择负极材料时应综合考虑离子电子导电率稳定性电化学性质比容量原料及工艺等方面的要求目前关于钠电池负极材料的选择主要有碳基材料基于转化及合金化反应的材料有机材料金属氧化物等技术路线图4石钠片层活性小储钠活性较低图5钠离子-石墨嵌入反应结合能大于0资料来源CNKI兴业证券经济与金融研究院整理资料来源Whyissodium-intercalatedgraphiteunstable兴业证券经济与金融研究院整理图6钠离子无法与石墨形成一阶稳定插层化合物膨胀石墨可改善问题资料来源张思伟钠离子电池用碳负极材料研究进展兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-7-行业深度研究报告碳基材料来源广泛储钠能力强已成为目前主流选择在众多钠离子负极路线中基于转化及合金化反应的材料在储钠过程中体积膨胀严重活性物质粉化导致容量衰减循环稳定性差另外成本高昂有机材料在循环中容易出现极化问题首次效率低且有机分子易在电解液中溶解金属氧化物的穿梭效应较为严重比容量偏低加之原材料成本较高以上材料与碳基材料相比优势均不明显碳基材料按照经过高温处理后是否会石墨化可以分成硬碳和软碳在经过2800C的高温处理后不会石墨化的碳称之为硬碳软碳是高温处理后可以石墨化的碳表3钠离子电池各负极材料技术路线对比负极材料特点技术成熟高功率密度高循环次数因热力学原因钠离子无法在石墨间层可逆嵌入石墨类脱出钠离子可逆比容量低电导率高结晶度高前驱体成本低高温碳化将降低储钠能力不高温碳化则会降碳基材料软碳低储钠可逆性和循环稳定性前驱体来源广泛难以石墨化具有较大层间距和纳米级尺寸的孔洞克容量高储硬碳钠能力优势明显循环性能一般倍率性能较差成本低且结构多样首效低低电子电导循环中出现极化问题有机分子易在电解有机材料液中溶解廉价易得有稳定的无机骨架结构循环寿命长体积膨胀率高首次不可逆容量金属氧化物材料大倍率性能差具有良好导电性脱嵌钠过程中体积变化巨大会导致活性物质粉化致使容量迅速衰基于转化及合金化反应的材料减循环性能不佳资料来源赵虔钠离子电池负极材料的研究与发展余海军钠离子电池负极材料的研究进展AmorphousMetalOxideNanosheetsFeaturingReversibleStructureTransformationsasSodium-IonBatteryAnodes兴业证券经济与金融研究院整理图7合金材料体积膨胀问题难以解决图8碳基材料综合性能好已成为主流选择资料来源CNKI兴业证券经济与金融研究院整理资料来源CNKI兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-8-行业深度研究报告硬碳材料储钠活性位点多比容量高对比优势明显相较软碳而言硬碳内部晶体排布孔隙较多杂乱无序存在多种类型的可逆储钠位点储钠容量高硬碳储存钠离子的位点主要包括1通过嵌入反应储钠2在闭孔内形成原子团簇储钠3在电解液表面通过电容型吸附储钠4在缺陷位点通过赝电容方式储钠而软碳材料只能通过嵌入反应储钠因此硬碳具有更加丰富的储钠活性位点理论容量高于石墨和软碳材料对于软碳而言可以通过造孔工艺增大容量但是会进一步增加成本抵消掉了原本在软碳前驱体选择上的成本优势另外硬碳还具有在嵌钠后体积膨胀小安全性好结构稳定导电性能良好环境友好等优点并且在快充性能低温性能方面的表现良好目前行业内主流企业均使用硬碳负极路线硬碳具有极强的商业化潜力图9硬碳卡牌屋储钠模型图10硬碳储钠活性位点图资料来源张思伟钠离子电池用碳负极材料研究进展资料来源Understandingofthesodiumstoragemechanism兴业证券经济与金融研究院整理inhardcarbonanodes兴业证券经济与金融研究院整理22负极是钠电池的核心材料国内厂商正全力布局硬碳产能钠电池的成本结构中负极材料占比约为16高于锂离子电池的负极材料占比在当前碳酸锂价格不断升高的情况下锂电池成本结构中正极占比约为50石墨负极成本占比为5-8而根据中科海钠的测算钠电池的负极材料占比约为16由于负极材料的选择会直接影响到电池的能量密度首次效率循环性能等因此相较于锂电池而言钠电池的负极选材重要性有所提升对于硬碳而言其原材料的收得率较低例如从生物质到硬碳的收得率大约只有30而石墨负极的收得率大约为80因此钠电负极原材料的选择是目前研发的瓶颈所在选择适合大规模量产的前驱体材料是当前钠电池发展亟待解决的问题请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-9-行业深度研究报告图11钠离子电池和锂离子电池材料成本对比资料来源头豹研究院兴业证券经济与金融研究院整理钠电负极降本空间大国内厂商加速布局硬碳产能目前进口的硬碳负极材料如日本可乐丽椰壳硬碳价格高于20万元吨开发低成本硬碳材料的需求极为迫切从长期来看随着国内多家负极厂商的加速布局钠电负极的降本路线清晰首先硬碳原材料成本低廉远低于人造石墨的价格如生物质原材料价格仅在数千元吨其次成功选型并大规模量产之后硬碳的制备工艺简单相对石墨而言能耗较低促成制备成本的下降最后硬碳负极材料前驱体供应充足能够很好地满足市场对于钠电负极材料的需求目前多家企业已进入中试投产阶段硬碳规模化生产之后有望进一步降本深化钠电池的成本优势表4行业内各公司硬碳产能情况公司名称产能情况可乐丽已实现量产产品售价高于20万元吨三代产品布局2000吨年自动生产线已达产计划到2023H1将硬碳产能扩大至1万吨左右2025年进一步把产佰思格能扩大至5万吨对应电池产能20-30GWh布局年产10万吨生物质硬碳负极项目打造生物质精炼一体化产业集群目前圣泉集团硬碳出货量已达百公斤圣泉集团级生物炭出货更多预计到2023年3月大庆工厂满产公司计划在2023H1建设1万吨产量的硬碳装置主业活性炭业务目前推进生物质活性炭产品包括稻壳果壳类活性炭竹基颗粒炭等路线主要应用于储能元力股份产品目前与金龙鱼共同布局马来西亚3万吨椰子2009年起开始研究和布局硬碳无定形碳等负极材料目前拥有硬碳产能400吨已有量产硬碳软碳产线较贝特瑞小约50吨年2023年扩产10000吨可以匹配1GWh硬碳的使用量杉杉股份已实现硬碳产业化为电芯头部企业批量供货预计2023年硬碳产能达300吨2024年产能达1000吨硬碳软碳均有布局硬碳使用酚醛树脂作为前驱体乙醇作为造孔剂软碳使用无烟煤沥青作为前驱体两中科海钠个千吨级的正负极材料产线产线基本上设备到位在做联调目前正处于小中试阶段具备初期产业化十公斤级的产品制备实力并已送样给电池头部企业进行全电池测珈钠能源试验证正在筹划百吨级的中试线预计2023年4月实现中试线产品稳定输出翔丰华针对钠离子电池开发了高性能硬碳负极材料目前正在相关客户测试中多氟多2023年公司将配套1GWh年钠电池产线完成5000吨年正极以及2000吨年负极产线的投产资料来源中国专利信息网各公司公告兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-10-行业深度研究报告23硬碳前驱体工艺多路并行生物质路线未来可期硬碳前驱体原材料来源丰富前驱体选择和工艺技术积累将构筑核心门槛硬碳前驱体原材料的选择性较多选择时需综合考虑原料供应难易程度成本性能等标准不同材料的制备工艺存在差异在选材时需要综合考量原料可获得度原料供应量储存与运输方便程度纯化过程是否存在难题等方面同时也需要关注所生产出的硬碳的性能情况如容量损失度循环性能与首次库伦效率等不同前驱体材料生产出的硬碳产品具有显著的电化学性能差异因此如何正确选择前驱体材料成为各公司发展硬碳负极材料的核心战略图12不同前驱体所制备的负极材料也不同资料来源钠离子电池无定形碳负极材料研究兴业证券经济与金融研究院整理硬碳前驱体制备工艺路线长且复杂制备流程难度较大硬碳材料制备方法多样主要流程包含各类预处理交联处理中高温碳化深度纯化以及表面改性等其中工艺核心是交联固化碳化环节此环节技术壁垒较高且为了保证硬碳负极材料的纯度需要在全工艺流程中做好纯度控制采取高通量多级纯化工艺获得最终的硬碳产品因此碳化环节中的纯度控制温场域流场的一致性要求复杂度高请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-11-行业深度研究报告图13不同前驱体硬碳负极材料制备流程资料来源中国专利信息网兴业证券经济与金融研究院整理目前硬碳采用的前驱体原料主要有生物质树脂基和石油基等生物质前驱体原料主要有椰壳秸秆毛竹核桃壳糖淀粉等树脂基前驱体主要采用酚醛树脂环氧树脂等原料石油基前驱体采取沥青等化石燃料作为原材料不同前驱体制备的硬碳材料表现出类似的充放电曲线但电化学性能差别较大表5硬碳3种技术路线的优缺点对比生物质树脂基石油基椰壳等淀粉等多糖酚醛树脂等沥青基等克容量高理论上成本低原料来源广泛电化学性能好原料来源广泛优势杂质较少原料成本低精准可控成本低强度较高环保可降解产品一致性好国内原材料供应不足克容量低工艺难度大劣势不能保证一致性成本高昂首次效率低工艺成本高原材料季节性问题生产过程中产生废水烟气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兴业证券经济与金融研究院整理树脂基是一种优异的制备硬碳的前驱体但成本昂贵产业化难度大相对于生物质与石油基树脂基前驱体的分子结构相对简单可控并且可以根据需要设计相关的分子结构精准构建可调节的孔结构和分子水平上的活性位点使得硬碳材料具有更好的倍率和循环稳定性能使用树脂基前驱体制备出的硬碳材料请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-12-行业深度研究报告克容量高电化学性能好一致性好性能优势明显但树脂基前驱体价格高昂量产成本压力大图14树脂基大孔硬碳充放电曲线图15离子催化合成的酚醛树脂基硬碳资料来源李瑀合成聚合物衍生硬碳在钠离子电池中的研资料来源李瑀合成聚合物衍生硬碳在钠离子电池中的研究进展兴业证券经济与金融研究院整理究进展兴业证券经济与金融研究院整理表6合成聚合物衍生硬碳的电化学性能碳化温度可逆比容量首圈库伦效率比容量保持率前驱体循环次数CmAhg-1酚醛树脂1250171602800100间苯二酚-甲醛树脂1300230840970100聚丙烯腈600233582977200聚丙烯腈磷酸100054557878200聚苯胺颗粒1150140507770500聚丙烯酸钠11001108005023000资料来源李瑀合成聚合物衍生硬碳在钠离子电池中的研究进展兴业证券经济与金融研究院整理石油基前驱体成本低廉原料易获取性价比优势明显但制备出的硬碳材料性能一般且存在环境污染问题沥青在碳化过程中易于石墨化形成类石墨结构因此沥青制备硬碳需要进行预处理通常是利用交联剂将沥青进行交联改变其微观结构在热解碳化过程中阻碍石墨微晶的长大进行固相碳化过程即可得到硬碳材料另外一种调制沥青的方法是预氧化法即利用氧化剂对沥青进行预氧化处理得到有一定氧含量的预氧化沥青由于有氧杂原子的存在沥青在热解碳化过程中不易形成有序的结构从而得到微观结构相对杂乱的硬碳材料沥青基制备出的硬碳材料性价比优势明显但产出的硬碳材料性能一般并且需要注意避免废水烟气对环境的破坏请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-13-行业深度研究报告图16预氧化策略调控沥青基碳结构扩大储钠容量资料来源AdvancedEnergyMaterials兴业证券经济与金融研究院整理生物质路线兼具高性能与低成本优势是目前大多数负极厂商所布局的方向生物质基硬碳负极材料可通过热解大多数碳前驱体制得原料来源广泛绿色环保大部分是工农业生产过程中的副产品或是废料特别是从废弃植物生物质中提取的可再生硬碳价廉易得合成工艺多元以之为碳源制备钠离子负极材料有望实现以废治废的生物质废弃物的高值化利用此外生物质本身具有丰富的杂原子和独特的微观结构通过碳化植物生物质基材制备的硬碳保留了植物生物质模板中的材料结构和孔隙通道是钠离子电池的理想负极材料由于生物质原材料的特殊性所生产出的硬碳难以保证一致性但生物质前驱体制备的硬碳材料电化学性能优异有研究认为以椰壳花生壳柚子皮玉米秸秆等材料作为碳源可制备得到多孔的碳材料微孔的存在使得材料具有大量的缺陷位为钠离子的存储提供了活性位点提升储钠容量表现出更高的充放电比容量优异的倍率和循环性能生物质前驱体有望为技术研发带来新突破有助于硬碳材料的产业化加速图17活化银杏叶的多孔碳结构资料来源郑安川基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研究进展兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-14-行业深度研究报告图18分层多孔碳纳米网的扫描电镜图图19碳化樱花花瓣表面大量类似蜂窝的褶皱区域资料来源郑安川基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研资料来源郑安川基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研究进展兴业证券经济与金融研究院整理究进展兴业证券经济与金融研究院整理表7不同生物质前驱体制备硬碳的性能对比碳化温度可逆比容量首圈库伦效率比容量保持率生物质前驱体循环次数CmAhg-1木质素110029968980300牛皮纸木质素-28478195050核桃壳100025771708300小麦淀粉-320852932300再生棉130031583970100橡树1000360748900200软木160035881870200樱花瓣10003102673898500木糖1200363893926400柚子皮700314527993220松花粉9003701598--蒲公英12003721-853300银杏叶-200-990500芒果干粉-113100--香蒲5002048---资料来源Molecular-scalecontrollableconversionofbiopolymersintohardcarbonstowardslithiumandsodiumionbatteriesAreview殷秀平钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展兴业证券经济与金融研究院整理生物质硬碳的制备工艺多样其中以一步碳化法应用最广生物质硬碳的制备方法主要有一步碳化法活化法水热法等一步碳化法通常采用热化学法将生物质碳在高温缺氧条件下进行热分解是制备硬碳材料的一种简单方法活化法是将生物质前驱体与化学试剂以一定比例混合在高温下反应从而得到含多孔结构和元素掺杂的生物质衍生碳材料水热法是指在密封压力容器中将溶剂和生物质前驱体混合通过高温反应来制备硬碳另外还有模板法得到不同结构类型的碳材料如碳纳米片层状多孔碳块和硬碳微球等请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-15-行业深度研究报告生物质路线研究和发展的首要难题是前驱体的筛选和确定这将关系到原材料的供应难度和所生产出的硬碳材料的性能不同的生物质前驱体的分子结构分子量存在明显差异这将直接影响到所制备出的多孔碳的结构和组成并进一步影响到硬碳性能在制备工艺方面并不存在一种通用的方法可以对不同前驱体进行加工因此生物质路线的首要研究难题是前驱体的筛选和确定椰壳是目前产业化最快的硬碳材料实践表明椰壳作为前驱体生产出的硬碳产品性能理想但未来钠电有着广阔的发展前景仅依赖椰壳碳作为硬碳负极生产的前驱体原料无法满足需求原料供应链稳定性不佳且各方面的成本将会不断攀升因此未来各厂商将不断推进技术升级发挥各自的优势寻找性价比更加优异的原材料目前新老厂商对于硬碳负极前驱体材料的选择和工艺路线均呈多路并行态势当前硬碳市场从无到有技术研发攻关与产业化进展将是各公司决速的关键日本可乐丽采用椰壳作为硬碳前驱体路线工艺包括碳化研磨碱液浸渍纯化和CVD处理等流程技术难度大所生产出的产品性能好佰思格是国内首家量产硬碳负极材料的企业聚焦硬碳领域团队技术研发优势明显杉杉股份作为负极头部企业布局硬碳领域多年自2010年起便开始陆续申请硬碳制备领域专利圣泉集团自主研发生物质秸秆精炼技术依托秸秆项目副产的生物碳作为原料进入硬碳制备领域具有明显成本优势贝特瑞研发成果卓著负极产品硅基与硬碳创新迭代翔丰华在各项前驱体技术路线皆有布局珈钠能源主要产品包括聚阴离子型正极材料和生物质硬碳负极材料产业化进程正在分步实施生物质硬碳与电容炭制备工艺具有一定相似性元力股份作为活性炭龙头也在持续推进硬碳产品的制备请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-16-行业深度研究报告表8各公司硬碳前驱体工艺路线与性能对比公司名称前驱体路线硬碳性能日本可乐丽生物质椰子壳充放电可逆容量320-405mAhg首次效率为88-90生物质葡萄糖糖淀粉纤维压实密度达到172gml1C放电首次容量达到362mAhg首效925佰思格素木质素木屑竹屑椰子壳4C充放电效率分别达到87与9452C循环1000次容量保持82以或坚果壳等上可满足动力电池需求生物质稻壳玉米芯果壳等植树脂基硬碳充放电可逆容量485mAhg首效80在常温1C循环100贝特瑞物类原料树脂基周容量保持率96在零下20度条件下仍可进行嵌入和脱出生物质榛子壳树脂基沥青杉杉股份沥青基硬碳首次可逆容量在480mAhg以上首效高于85基利用酚醛树脂作为前驱体乙醇作为造孔剂得到的硬碳负极可逆比容中科海钠树脂基量约为410mAhg第一代产品低成本的硬碳负极材料目前已规模化生产容量珈钠能源生物质250mAhg-300mAhg第二代产品类比于日本硬碳性能和类型的硬碳材料容量300mAhg-350mAhg首效86价格4-6万树脂基生物质硬碳可逆容量大于500mAhg极片压实可达155gcc中科星城树脂基生物质和难石墨化焦类首效高于805C充放电循环寿命超过2000周煤沥青基球形硬碳压实密度大于11gcm3可逆容量大于400mAhg翔丰华树脂基生物质和难石墨化焦类首效大于80循环500次容量保持率大于85生物质硬碳可逆容量300-500mAhg首效70-85聚合物硬碳容量凯金能源生物质400-600mAhg首效75-85容量高于500mAhg首效高于85压实密度13-16gcm3比表面积武汉比西迪树脂基酚醛树脂30-70m2g多氟多生物质核桃壳淀粉容量为260mAhg江苏智纬生物质松果-鸡西唯大新沥青基生物质茄子沥青基硬碳容量270mAhg生物质硬碳循环200次后容量为200mAhg材料大连中比动生物质艾蒿树脂无烟煤-力电池欣旺达生物质花生壳2C循环1000次后容量保持率932一代产品可量产比容量300mAhg首效88压实密度11-树脂基酚醛树脂生物质秸12gcm3二代产品即将推出比容量330mAhg首效90压圣泉集团秆实密度115-12gcm3三代产品正在研发比容量350mAhg首效90压实密度12gcm3元力股份生物质毛竹椰子壳稻壳-资料来源中国专利信息网各公司公告兴业证券经济与金融研究院整理国内负极厂商加速布局生物质路线成为当下前驱体材料的主流选择佰思格杉杉股份翔丰华等负极企业在硬碳制造领域充分布局专利另外钠电与锂电产业高度相似得益于国内锂电产业链的高度成熟为技术的突破与更新迭代提供良好条件请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-17-行业深度研究报告图20国内企业硬碳材料专利布局情况项14131212108766544222211100000杉杉股份贝特瑞凯金能源宁德时代翔丰华佰思格多氟多欣旺达已授权审中资料来源中国专利信息网兴业证券经济与金融研究院整理截止2023年1月14日预计到2025年国内钠电池硬碳负极需求量达到76560吨对应市场空间有望达到689亿元作为锂电池的有效补充钠电产业有着丰富的降本空间硬碳负极有望实现广泛应用中国钠离子电池行业发展白皮书2022年中认为在综合对比分析了铅酸电池三元电池磷酸铁锂电池和钠离子电池的能量密度循环性能倍率性能安全性低温性能和快充性能之后发现钠离子电池在低速电动车二轮车储能和启停等应用场景呈现出广阔的发展前景根据EVTank测算在100渗透的情况下理论上钠离子电池在2026年的市场空间可达到3695GWh其理论市场规模或将达到1500亿元假设2023-2025年钠电池替代比例分别为31224按照每GWh消耗1100吨硬碳测算到2025年预计硬碳负极材料的需求将达到76560吨图21钠离子电池理论市场空间GWh400369535029013002502248200180214571501005002022E2023E2024E2025E2026E资料来源EVTank测算兴业证券经济与金融研究院整理请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-18-行业深度研究报告表9国内硬碳负极需求预测2022E2023E2024E2025E钠电池理论市场空间GWh1457180222482901钠电池渗透率031224钠电池装机预测GWh054270696每GWh钠电池装机所需硬碳吨1100110011001100硬碳需求量吨059402970076560资料来源EVTank唐有根教授钠离子电池材料与全电池研究开发兴业证券经济与金融研究院整理3行业公司齐发力路线选择以生物质为主31佰思格国内首家量产硬碳企业技术优势明显聚焦硬碳材料具备强大的自主研发和创新能力佰思格是一家由锂电行业资深专家博士团队于2018年创立的国家级高新技术企业主营产品包括硬炭负极材料软炭材料和石墨硬炭复合材料具有超快充超长寿命超高安全及优异的低温特性公司是国内首家量产钠锂电池硬碳负极材料的企业致力于钠电锂电卡脖子核心材料的国产化产业化应用以及保障产业链安全公司拥有46项知识产权17项发明专利也是我国首个发布的钠离子电池行业标准钠离子蓄电池通用规范标准的参与编制单位中唯一一家负极材料生产商和技术提供商表10佰思格创始人团队清华大学材料学博士原比亚迪动力电池事业部产品开发经理参与组建我国第一个动力电池谢皎博士产业化团队15年电池研发经验天津大学化工博士王瑨博士遂宁市学术带头人人大代表IEEE储能专委会委员17年碳材料研发经验获授权专利50余项资料来源企查查兴业证券经济与金融研究院整理产品性能处行业领先水平且售价仅为进口产品的50目前公司钠电硬碳产品主要有3种分别是NHC-2PHC-1和NHC-330公司硬碳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2020年公司能够实现量产的钠电池负极材料能量密度为290-300mAhg具有相似性能的日本产品售价达20万元吨以上而佰思格的售价仅为6万元吨左右佰思格今年正在研发和生产的产品NHC-330的比容量比日本材料高20左右另外公司预计在2023-2024年发布新产品NHC360比容量可以达到360-请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-19-行业深度研究报告380mAhg佰思格硬碳产品在压实密度和比表面积控制上均处于行业领先水平首次效率可以达到92左右表11佰思格硬碳产品种类特点型号容量首次效率对标产品竞争优势主要应用领域超快充高安全启动电源HEVPHC-1350mAhg80-超低温和超长寿命军事领域超高比容量超快充高端快充消费电池锂电硬碳BHC-550550mAhg75-高安全超低温和超长寿命EV军事领域48V启动电源电池黑色粉末颜色均一BHC-3A280mAhg83-HEV电池军工电池无结块无杂质储能电池和低温电池低成本YHC-2280mAhg88仅有国外产品15的价格钠离子电池钠电硬碳球形NHC-2280mAhg88仅有国外产品14的价格钠离子电池竞争对手比容量最高为高容量NHC-330330mAhg90高能量密度钠离子电池300mAhg资料来源公司官网兴业证券经济与金融研究院整理多次获得产业资本的青睐为硬碳产业化布局提供助力2021年鹏辉能源参股佰思格以加速布局其钠电产业链2022年获蜂巢能源战略投资达晨A轮投资恒信华业雄韬股份A轮投资为公司进一步高效研发高性能硬碳产品提供了很大的助力图22佰思格发展历程资料来源公司官网兴业证券经济与金融研究院整理目前已完成硬碳负极材料设备安装和生产未来将按规划扩大产能截止2022年11月公司已经完成2000吨钠离子电池硬碳负极材料的设备安装和生产完成了园区建设规划和设备采购预计2023年初启动建设公司计划到2023H1将产能扩大至1万吨左右2025年进一步把产能扩大至5万吨对应电池产能20-30GWh请务必阅读正文之后的信息披露和重要声明-20-