钠电：如何从“0-1”迈向“1-N”（一）-硬碳负极成为钠电加速产业化关键-光大证券.pdf-solarbe文库

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敬请参阅最后一页特别声明 -1- 证券研究报告 2022 年 11 月 22 日行业研究硬碳负极成为钠电加速产业化关键钠电如何从“0-1”迈向“1-N”（一）电力设备新能源硬碳负极成为首选，支持钠电快充过放。相较于锂离子电池，钠离子原子半径较锂离子大 35以上，锂离子电池中主流的石墨负极无法满足钠离子电池负极的要求，而软碳材料储钠容量不足，因此钠电池主流使用的是硬碳负极。硬碳材料储钠位置和形式多样，理论容量可达 350-400 mAh/g。另外，硬碳材料使得负极能够更好地实现快充、解决了过放电的安全问题，打开了钠电池应用的广度。成本结构上重要性提升、前驱体降本空间大、来源、工艺的研发难度大，硬碳负极成为钠电产业化的决速关键。钠电负极成本占比大幅提升至 16，比起锂电负极成本占比翻倍。22 年 9 月，日本可乐丽椰壳硬碳价格约为 20万元/吨，低端人造石墨负极价格约为 3 万元/吨，进口硬碳材料成本较高且降本空间巨大，硬碳的重要性不言而喻。通过替代廉价、适合大规模量产的前驱体能大大降低成本，但考虑到硬碳收率较低，我们预计 2025 年硬碳负极成本降至与石墨负极相当。硬碳前驱体路线多样，供应与成本是核心考量。生物质前驱体工艺难度小，在钠电 0-1 阶段，椰子壳等生物质硬碳由于其性能优异，产业化速度较快。但当行业进入成长放量阶段，难以保障原材料供应链的稳定性、低成本和一致性将成为掣肘。沥青基/树脂基等硬碳目前生产工艺难度较大，性能也较差，但其原材料供应广泛、成本低廉，随着前驱体研发技术突破以及其他材料修饰技术的应用，生物质多糖、树脂基、沥青基以及无烟煤等材料有望后来居上。根据应用领域的需求痛点不同，未来硬碳路线或呈现百花齐放格局。供应链成熟度限制修饰技术应用，预钠化是挖潜重点。硬碳前驱体的调控、改性、掺杂、包覆是当前负极厂商首要解决的产业化问题；电解液调控可提高硬碳材料的电化学性能，需产业链合作研发，也有望较快产业化。预钠化与预锂化技术的策略与手段基本相似，对硬碳负极的性能提升较为显著。但考虑到补锂技术的应用要慢于锂电技术整体发展节奏，且现有的补钠技术还不成熟，工艺复杂且成本高，技术壁垒较高，因此产业化周期可能较长。从专利和产品来看，生物质硬碳成为新老厂商当前布局的重点。比容量方面，生物质、树脂、石墨烯较高，处于 300 mAh/g 以上，无烟煤和沥青基比容量较低。首效方面，生物质较为领先，沥青、无烟煤首效较低。循环寿命方面，优异的生物质硬碳负极能达到 3000 次以上，足以满足动力及部分储能领域的应用需求。投资建议钠电行业进入 0-1 阶段，硬碳负极的研发攻关成为决速关键，在钠电硬碳负极产品研发和量产进度较快的厂商，最有望受益于钠电 0-1 带来的需求弹性，推荐鹏辉能源（佰思格）、贝特瑞、杉杉股份。关注其他在钠电负极材料也有研发布局的厂商华阳股份、璞泰来、翔丰华、元力股份。风险分析钠电池需求及应用推广进度不及预期、硬碳降本不及预期、锂价下跌钠电池性价比不足。重点公司盈利预测与估值表证券代码公司名称股价（元） EPS（元） PE（X）投资评级 21A 22E 23E 21A 22E 23E 300438.SZ 鹏辉能源 65.76 0.42 1.32 1.96 156 50 34 买入 835185.BJ 贝特瑞 47.95 2.97 3.15 4.14 16 15 12 买入 600884.SH 杉杉股份 18.80 1.56 1.18 1.43 12 16 13 买入资料来源Wind，光大证券研究所预测，股价时间为 2022-11-18 买入（维持）作者分析师殷中枢执业证书编号S0930518040004 010-58452063 yinzsebscn.com 分析师刘凯执业证书编号S0930517100002 021-52523849 kailiuebscn.com 分析师陈无忌执业证书编号S0930522070001 021-52523693 chenwujiebscn.com 联系人吕昊 021-52523817 lvhaoebscn.com 行业与沪深 300 指数对比图 - 3 7 - 2 5 - 1 3 - 1 10 1 0 /2 1 0 1 /2 2 0 4 /2 2 0 7 /2 2 电力设备新能源沪深 300 资料来源Wind 要点敬请参阅最后一页特别声明 -2- 证券研究报告电力设备新能源投资聚焦锂矿价格居高不下使得电池及上游材料厂商纷纷将研发重点从锂离子电池转向钠离子电池。负极材料在成本结构中占比的上升以及目前研发陷入瓶颈使其成为钠电产业化的决速环节。作为负极首选材料的硬碳还处于研发初期，尚不能实现规模量产。生物质前驱体虽然是目前性价比较高的硬碳负极材料，但是其来源过于广泛，造成生产工序与设备选型的复杂性。从长远来看，在突破技术瓶颈成功实现降本之后，沥青基硬碳负极将成为钠离子电池产业化的支柱。我们的创新之处 1、从成本、技术、供应链的角度推演了硬碳路线未来的发展趋势，以及为什么硬碳负极成为钠电产业化的决速关键，对硬碳负极的远期成本进行了展望； 2、从前驱体、供应链、工艺设备的角度分析了当前钠电负极产业链亟需解决的问题，以及下一步的发展方向； 3、从新老厂商的专利和产品布局层面分析了钠电负极技术发展趋势，并通过当前技术参数判断钠电池推广的领域与节奏。股价上涨的催化因素 1、钠离子电池产业链、硬碳材料降本速度超预期。 2、锂价持续位于高位，且在 2025 年之前无法跌到合适的区间，促进产业加速发展钠离子电池技术。 3、硬碳前驱体材料大规模制备技术取得突破。投资观点钠电行业进入 0-1 阶段，硬碳负极的研发攻关成为决速关键，在钠电硬碳负极产品研发和量产进度较快的厂商，最有望受益于钠电 0-1 带来的需求弹性，推荐鹏辉能源（佰思格）、贝特瑞、杉杉股份。关注其他在钠电负极材料也有研发布局的厂商华阳股份、璞泰来、翔丰华、元力股份。敬请参阅最后一页特别声明 -3- 证券研究报告电力设备新能源目录 1、硬碳负极成为首选，支持钠电快充过放 . 6 1.1、石墨储钠困难，软碳容量不足，钠电池负极首选硬碳 . 6 1.2、硬碳储钠机理多样，理论容量350-400 mAh/g . 8 1.3、硬碳支持钠电快充过放，112 . 8 2、前驱体供应与降本成产业化决速关键 . 10 2.1、成本占比提升，负极成产业化决速关键 . 10 2.2、硬碳前驱体路线多样，供应与成本是核心考量 11 2.2.1、供应与成本是核心考量，生物质性能领先 11 2.2.2、供应链成熟度限制修饰技术应用，预钠化是挖潜重点 13 2.3、工序设备复杂多样 14 3、投资建议硬碳研发仍待攻坚，新老厂商布局加速. 16 3.1、资本助力产业链创新，生物质将最先产业化 16 3.2、鹏辉能源（佰思格）聚焦硬碳，行业领先 18 3.3、贝特瑞负极龙头，硅基与硬碳创新迭代 . 19 3.4、杉杉股份快充负极领先，推出硬碳产品 . 26 4、风险提示 . 32 敬请参阅最后一页特别声明 -4- 证券研究报告电力设备新能源图目录图1硬碳（左）与石墨（右）的晶格图像对比 7 图2使用硬碳负极的电池循环性能优异 . 7 图3硬碳储钠机理模型 . 8 图4锂离子电池成本分布 . 10 图5钠离子电池成本结构 . 10 图6硬碳负极前驱体选取标准 11 图7预钠化策略 14 图8不同前驱体硬碳负极生产工艺流程 . 15 图9钠离子电池产业链布局 . 16 图10贝特瑞2022年前三季度营业收入同比增长156.43 19 图11贝特瑞2022年前三季度归母净利润同比增长24.52 . 19 图12贝特瑞毛利率及净利率 . 20 图13负极材料成贝瑞特最大营收来源 . 20 图14贝特瑞分业务毛利率 . 20 图15贝特瑞现金流情况 . 20 图16杉杉股份 2022年前三季度营业收入同比增长0.82 26 图17杉杉股份2022年前三季度归母净利润同比下降20.37 . 26 图18杉杉股份毛利率及净利率稳中有升，净利率大幅度改善 26 图19杉杉股份分业务营业收入占比. 26 图20杉杉股份负极业务毛利率表现稳健 . 27 图21杉杉股份三大现金流净值 27 敬请参阅最后一页特别声明 -5- 证券研究报告电力设备新能源表目录表1四种钠电池负极材料特点对比 6 表2理想的钠离子电池负极要求 6 表3硬碳、软碳与石墨负极对比 7 表4锂电与钠电与负极相关的性能对比 . 9 表5硬碳材料对比分类 . 11 表6主要硬碳前驱体优缺点比较 12 表7硬碳负极材料参数对比 . 13 表8钠电池硬碳材料的性能提升策略 . 14 表9硬碳负极企业现有专利产品梳理 . 16 表10负极企业产业布局 . 17 表11鹏辉能源盈利预测与估值简表 . 19 表12贝特瑞钠电硬碳负极产品理化指标 . 21 表13贝特瑞主营业务拆分 . 22 表14三费费率历史数据及假设 23 表15贝特瑞与可比公司PE估值比较 23 表16绝对估值核心假设表 . 23 表17现金流折现及估值表 . 24 表18敏感性分析表 24 表19各类绝对估值法结果汇总表 24 表20贝特瑞盈利预测与估值简表 25 表21杉杉股份收入拆分 . 29 表22三费费率历史数据及假设 29 表23杉杉股份与可比公司PE估值比较 30 表24绝对估值核心假设表 . 30 表25现金流折现及估值表 . 31 表26敏感性分析表 31 表27各类绝对估值法结果汇总表 31 表28杉杉股份盈利预测及估值简表. 32 敬请参阅最后一页特别声明 -6- 证券研究报告电力设备新能源 1、硬碳负极成为首选，支持钠电快充过放 1.1、石墨储钠困难，软碳容量不足，钠电池负极首选硬碳现有钠电池负极材料技术路线有金属氧化物、有机负极材料、基于转化及合金化反应的负极材料和碳基负极材料等。其中，金属氧化物容量较低，合金类循环性能和倍率性能不佳，碳基无定形碳可逆容量和循环性能较好，在控制成本之后最有望实现商业化。表 1四种钠电池负极材料特点对比负极材料特点金属氧化物金属氧化物有稳定的无机骨架结构，所以有超长循环寿命；但相对分子质量较高，所以比容量偏低。有机负极材料成本低且结构多样；但首效低、低电子电导、循环中出现极化问题、有机分子易在电解液中溶解。基于转化及合金化反应的负极材料脱嵌钠过程中体积变化巨大会导致活性物质粉化，致使容量迅速衰减，循环性能和倍率性能不佳。碳基负极材料比容量高，工作电位低；可逆容量，循环性能优良。资料来源Simon Eder et al.,Switching between Local and Global Aromaticity in a Conjugated Macrocycle for High-Performance Organic Sodium-Ion Battery Anodes ， Sun et al.,Amorphous Metal Oxide Nanosheets Featuring Reversible Structure Transformations as Sodium-Ion Battery Anodes， Wu et al., The State and Challenges of Anode Materials Based on Conversion Reactions for Sodium Storage，光大证券研究所整理（1）石墨储钠困难，无法用作钠电负极。相较于锂离子电池，钠离子原子半径较锂离子大至少 35以上，钠离子较难在材料中嵌入脱出，对负极材料的结构稳定性提出了更高的要求。锂离子电池中主流运用的石墨负极材料的孔径与层间距都无法满足钠离子电池负极的要求。表 2理想的钠离子电池负极要求方面要求迁移率较高的离子和电子导电率稳定性具有惰性，在电解液中没有任何溶解或反应倾向；具备良好的循环稳定性，体积变化率小。电化学性质与金属钠一样具有较高的工作电位，且电位不能随着钠离子的嵌入脱出而有较大波动。比容量密度低且孔隙多，单位质量内能容纳较多的钠离子。原料及工艺成本低，来源广，易获取及储存，环保且具有经济效益。资料来源余海军等，钠离子电池负极材料的研究进展，郑安川等，基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研究进展，光大证券研究所整理（2）软碳容量不足，硬碳成为钠电负极首选。无定形碳包括硬碳与软碳，硬碳是在 2800℃以上高温处理后不能石墨化的碳，软碳是经高温处理后可以石墨化的碳。硬碳内部晶体排布杂乱无序，孔隙更多，且石墨片层间、封闭微孔、表面和缺陷位点都能储钠，所以容量较高。软碳虽然成本较硬碳低，但是由于具有石墨化结构，所以储钠量较低；虽然可以通过造孔工艺增大容量，但是会增加成本，反而不如硬碳经济。综上，由于石墨的孔径与层间距较小，与钠离子直径不符，而软碳材料由于类石墨结构储钠容量不足，因此行业内主流使用的是硬碳负极。敬请参阅最后一页特别声明 -7- 证券研究报告电力设备新能源表 3硬碳、软碳与石墨负极对比项目难石墨化碳硬碳易石墨化碳软碳石墨 Graphite 结构原料沥青、高分子、植物沥青、高分子沥青、天然石墨炭化温度 1000-1500℃ 1000-2000℃ 2500-3000℃ 层间距d002 0.37-0.38nm 0.34-0.35nm 0.335-0.34nm 微晶Lc 1.1-1.2nm 2-20nm 80nm以上材料密度g/cm³ 1.50-1.60 2.0 前后 2.2 前后电极密度g/cm³ 0.9-1.0 1.2 前后 1.5-1.8 电极压实的难易度困难困难容易电极密度g/cm³ 0.9-1.0 1.2-1.3 1.5-1.8 比能量低～中中高放电曲线电压随容量变化而变化电压随容量变化而变化一定容量范围内电压一定电极膨胀率小一般大循环耐久性高高温时性能有所下降中能否使用PC提高低温性能可可不可能量再生输入功率性能高高低资料来源锂离子电池负极材料 CARBOTRONP®SF、J的介绍，KBMJ 图 1硬碳（左）与石墨（右）的晶格图像对比资料来源锂离子电池负极材料 CARBOTRONP®SF、J的介绍，KBMJ 图 2使用硬碳负极的电池循环性能优异资料来源锂离子电池负极材料 CARBOTRONP®SF、J的介绍，KBMJ 敬请参阅最后一页特别声明 -8- 证券研究报告电力设备新能源 1.2、硬碳储钠机理多样，理论容量350-400 mAh/g 锂离子电池的插层储锂机理已经很清楚，理论容量也已经有定论，锂离子电池石墨负极的容量可达 372.07mAh/g。而钠离子电池的储钠机理还不明晰，目前学界认为主要有三种储钠机制（1）插层反应机制；（2）合金化反应机制；（3）转化反应机制。硬碳材料的储钠位置和形式多样。一般认为钠离子在硬碳中可以储存在三种位置硬碳表面的边缘和缺陷、石墨层之间的空隙、随机取向的石墨之间形成的微孔。对于硬碳来说，在储钠过程中充放电曲线可以分为两个区域高电位斜坡区（20.1V）、低电位平台区（0.10V）。在放电时，（1）钠离子首先通过表面吸附储存在硬碳表面的孔壁和缺陷中，这个过程对应充放电曲线中的斜坡区；（2）当进一步放电至 0.1 V 以下，钠离子通过石墨层间插入和微孔填充形成平台区。图 3硬碳储钠机理模型资料来源殷秀平，钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展，光大证券研究所整理目前的争议主要集中在平台和斜坡区域所分别对应储钠机理的认识上。针对这两个区域，目前存在着两种储钠机理的解释 1. “嵌入-吸附”机理（图 a）认为斜坡区容量主要来源于 Na在类石墨层间中的嵌入，平台区容量来源于 Na在微孔中的填充或沉积； 2. “吸附-嵌入”机理（图 b）则相反，认为斜坡区容量主要来源于 Na在碳表面及边缘缺陷上的吸附，平台区容量主要来源于 Na在类石墨间的嵌入。目前有较多文献支持“吸附-嵌入”模型，“层间嵌入”机制形成的 NaC8可提供理论容量为 279mAh/g 的平台比容量，再加上斜坡区比容量，钠离子电池理论容量可达 350-400mAh/g。 1.3、硬碳支持钠电快充过放，112 通过复盘锂电负极技术路线的选择逻辑，我们能够为判断未来钠电负极主流技术路线提供借鉴。硬碳负极相较于石墨负极具有高电荷容量、优异的倍率容量、长循环能力和良好的低温性能的优点，那为何在锂离子电池中，硬碳并未成为主流的负极路线敬请参阅最后一页特别声明 -9- 证券研究报告电力设备新能源（1）锂电硬碳负极首效低硬碳负极的一个很大短板是在第一次充电/放电循环期间会有大量的电荷“损失”。对于锂离子电池来说，这种“损失”是由于过量消耗锂离子形成 SEI 膜造成的。此外，在碳基质中还有一些锂俘获，进一步导致低的可逆容量和较差的初始库仑效率（ICE）（不超过 80）。（2）电压滞后除了低容量与低首效，硬碳中包含一些残余的氢封端芳香族碎片，而锂离子会与这些位点结合，在这种情况下，从这些位置移除锂离子会使得电位向更高电压移动，从而导致电压滞后。为了弥补硬碳的这些缺陷，需要增加工序与生产成本，使得硬碳负极相较于石墨的经济性较差，所以现在锂离子电池主流使用的还是石墨负极。而在钠离子电池中石墨负极无法使用，研究者把研发攻关的方向重新聚焦在硬碳材料上。另外，硬碳材料使得负极能够更好地实现快充、解决了过放电的安全问题，打开了钠离子电池应用的广度。（1）快充与电解液导电率及负极材料稳定性有关。硬碳负极能够满足快速嵌锂、嵌钠的需求，但是快充导致锂枝晶析出容易引发短路，造成安全隐患，这限制了锂离子电池的快充性能。相较锂离子电池，钠离子电池能够实现快充有三个原因 1. 钠离子斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率，也就是说同等条件下钠离子比锂离子跑得快。 2. 钠枝晶可自溶，安全性更好，可适应高倍率快充。根据马琳等人的推动我国钠离子电池产业化路径探析，由于钠金属比锂金属活性高，钠枝晶的化学稳定性比锂枝晶差，所以在一定条件下可以自溶解于电解液中，解决了快充会造成钠枝晶析出，影响电池安全性的问题。 3. 硬碳负极较大的层间距与孔径，保证了钠离子在快充时快速嵌入。（2）过放电问题上，钠离子电池比锂离子电池更安全。锂离子电池在过放电过程中会导致负极过度脱锂破坏 SEI膜，从而产生 CO 或 CO2气体，使电池膨胀，产生危险，而且过放电后再充电时负极会产生死锂，降低电池容量。但钠离子电池具有过放电安全性，即使放电至 0V 对电芯的长循环稳定性也基本没有影响。表 4锂电与钠电与负极相关的性能对比性能与工艺锂离子电池钠离子电池负极材料石墨硬碳负极有大电压延迟、低首效、低容量硬碳石墨负极难以容纳钠离子过放电否过放电会降低电池容量与循环寿命可放电至 0V对于电芯的长循环稳定性基本无影响快充性能否快充导致锂枝晶析出会有短路自燃等安全隐患可高电导率与钠枝晶的自消溶性支持快充功能负极修饰技术是掺杂、预锂化等提升电池性能是锂电负极修饰技术助推钠电性能提升、产业化推进资料来源Xie，Hard Carbon Anodes for Next‐Generation Li‐Ion Batteries Review and Perspective，光大证券研究所整理除了可快充、可过放的优点，现有的杂原子掺杂、预氧化、预锂化、结构设计等锂离子电池负极修饰技术，未来也有望在钠离子电池产业化过程中逐步使用，这些技术积淀可以有力地推动钠离子电池性能提升、产业化推进。敬请参阅最后一页特别声明 -10- 证券研究报告电力设备新能源 2、前驱体供应与降本成产业化决速关键 2.1、成本占比提升，负极成产业化决速关键钠电的产业链与锂电相似，主要成本差异体现在原材料方面。钠电正极材料比磷酸铁锂电池正极材料要便宜三分之一左右，隔膜与电解液的成本相近。对于负极来说，无论是生物质或是沥青基材料相比于焦类的原材料成本都更低，但从生物质到硬碳的收得率只有大约 30，相比于石墨负极的收得率（80）要低得多，2022 年 10 月底，无烟煤价格约为 0.2 万元/吨，改性沥青价格约为 0.45 万元/吨，低端人造石墨负极价格约为 3 万元/吨。所以综合来看，考虑收得率、前处理与修饰工序成本后，钠电负极和锂电石墨负极的远期成本差异不大。成本结构上重要性提升、前驱体降本空间较大、来源、工艺的研发难度大，使得硬碳负极成为钠电产业化的决速关键。相较锂电成本中正极材料占比 50以上，钠电正极成本占比只在 26左右，而负极成本大大上升，达到 16，比起锂电负极的成本占比翻倍。2022 年 9 月时，日本可乐丽椰壳硬碳价格约为 20万元/ 吨，低端人造石墨负极价格约为 3 万元/吨，进口硬碳材料成本较高但降本空间巨大。另外，不同于钠电正极材料的研究进展较为顺利，多家企业已经进入中试、投产阶段，钠电负极研发遇到的瓶颈较大，目前还难以找到廉价、适合大规模量产的前驱体材料。图 4锂离子电池成本分布资料来源鑫椤资讯 2022-09-08，光大证券研究所整理图 5钠离子电池成本结构资料来源中科海钠官网 2018-06，光大证券研究所整理敬请参阅最后一页特别声明 -11- 证券研究报告电力设备新能源 2.2、硬碳前驱体路线多样，供应与成本是核心考量硬碳负极前驱体材料复杂多样，包括生物质、树脂基、沥青等。其核心制造工艺是碳化，受工艺限制，在选材时要求成本低、供应量大、易获取及储存，同时还强调容量损失少、效率较高、循环性较好，对于纯化过程也有要求。表 5硬碳材料对比分类比表面积（㎡/g）孔径（nm）层间距（nm）比容量mAh/g 首次库伦效率（）循环性能（次）生物质（竹子、甘蔗渣、小麦秸秆和木材） 0.5-100 0.5-5 0.35-0.4 219-493 40-73 / 生物质（椰壳） / / / 200-337 76-93 2073-2936 生物质（淀粉） 0.8-1.2 / / 269-337 66-88 / 多孔碳黑磷 1000-3000 1-5 / 310-445 82-92 / 无烟煤造孔剂 / / / 211-294 84-86 2083-3268 沥青 / / 0.36-0.39 95-300.6 45-90 / 酶解木质素基环氧树脂 50-320 / 0.34-0.39 106-250 / / 资料来源国家知识产权局，郑安川等，基于生物质硬碳钠离子电池负极材料研究进展， Xieet al.， Hard Carbon Anodes for Next-Generation Li-Ion Batteries Review and Perspective，余海军等，钠离子电池负极材料的研究进展，光大证券研究所整理（1）树脂基前驱体虽然纯度高，结构易调控，但是成本较高；（2）沥青基前驱体虽然来源较广泛，但生产过程中会产生废水烟气，此外还需要在造孔技术方面做进一步研发，且容量较低；（3）生物质前驱体来源广泛，大多是工农业生产中的副产物，容量也较高。所以硬碳负极目前应用较多的材料是生物质前驱体。但是生物质也有其缺点。首先，生物质来源虽然广泛，但是由于品种繁多，且具有季节性等问题、不能保证一致性。而不同的品种对应不同的生产处理工艺，增加了工艺与设备选型的复杂性。因此，虽然生物质前驱体是一种很好的过渡期选择，但是从长远来看还是要不断提升沥青基负极材料研发技术，实现沥青基与树脂基材料降本，以便其规模化应用。 2.2.1、供应与成本是核心考量，生物质性能领先对于工业生产来说，选择前驱体时首先考虑的是成本、供应量与是否易于获取和保存，其次才考虑生产出来的硬碳负极的性能，包括克容量、首次循环库伦效率、循环性能与是否需要提纯等。图 6硬碳负极前驱体选取标准资料来源佰思格科技，光大证券研究所绘制敬请参阅最后一页特别声明 -12- 证券研究报告电力设备新能源生物质前驱体生产工艺难度小，但难点在于合适前驱体的筛选和稳定批量供应。在钠电产业链还不成熟的行业初期阶段，生物质硬碳由于其性能优异，产业化速度较快。但当行业进入成长放量阶段，难以保障原材料供应链的稳定性、低成本和一致性成为掣肘的难题。沥青基/树脂基等硬碳目前生产工艺难度较大，性能也较生物质基硬碳差，但其原材料供应比较稳定，随着前驱体研发技术突破以及其他材料修饰技术的应用，供应来源广泛、成本低廉的其他前驱体材料，例如生物质多糖、树脂基、沥青基以及无烟煤等材料有望后来居上。表 6主要硬碳前驱体优缺点比较硬碳前驱体优点缺点生物质椰子壳杂质较少强度较高国产原料供应量不足过度依赖进口生物质天然多糖（淀粉、葡萄糖、蔗糖等）材料来源广泛价格低廉环保可降解需内部交联化、加氢改性等预处理生产成本增加树脂基前驱体（酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇等）分子结构简单、可控可按需精确设计分子结构纯度较高成本最高沥青基前驱体残炭率高原料来源广泛价格低廉高温碳化时易石墨化，所以需交联化、预氧化等预处理，生产成本增加无烟煤原料来源广泛价格低廉生产工艺简单容量低首次循环效率低产品一致性较差需提纯处理，工艺不环保造孔技术产硬碳，生产成本增加资料来源李云明钠离子储能电池碳基负极材料研究，李旭升钠离子电池碳负极材料的制备及储钠性能研究，光大证券研究所整理作为当前产业化最快的椰子壳硬碳材料，其电池性能理想，但长期难以保障钠电需求。我国椰壳炭的主要来源是从菲律宾与印度尼西亚进口。菲律宾和印度尼西亚的椰子壳较厚，水分与挥发份指标较好，杂质也较少，生产出来的椰壳炭化料具有较好的强度与品质。据国际椰子协会消息，印度尼西亚是最大的椰壳炭化料出口国，2021 年出口 43.3 万吨；其次为菲律宾，出口 11.4 万吨，而斯里兰卡仅出口 8 千多吨。三个国家的椰壳炭化料总出口量约 55.5 万吨，按照每一万吨的椰壳炭化料对应5GWh的钠电需求测算，最大能够支撑11.1GWh的钠电需求。国内椰壳供给不足，椰子壳硬碳或形成进口依赖。国内的椰子产地主要是海南，占全国椰子收获面积的 99。相较菲律宾与印尼来说，海南椰子壳较薄，密度也会稍低，碳化后得到的椰壳炭品质会稍差一点。2021 年我国国内椰子产量约 36.42 万吨，椰壳重量约占椰子重量的 13，即产生椰壳约 5 万吨。一般 6 吨的椰壳可以烧制 1 吨椰壳炭化料，也就是说，仅靠我国 21 年全部椰子产量也无法满足 5GWh的钠电需求。生物质椰子壳作硬碳负极最大的问题就是国产原料供应量不足，过度依赖进口。钠电硬碳负极实现量产后，如果还依赖于进口椰壳炭的话，航运限制也会导致原材料成本增加。无烟煤是用于生产软碳负极的原材料，原料来源广泛、价格低廉，生产工艺简单。但是相比于硬碳负极，软碳负极的缺陷较明显，首先是容量低，首次循环效率也比生物基硬碳低 8 个点左右，此外由于无烟煤的品质有区别，不同批次的原料生产出的负极难以保证一致性，而且无烟煤中含有 3-5的灰分以及硫杂质，需要经提纯后才能使用，否则会对电池循环有害，但提纯工艺产生的废气污水不利于环保。无烟煤通过造孔技术也可以生成硬碳，但这增加了生产工艺环节与成本。敬请参阅最后一页特别声明 -13- 证券研究报告电力设备新能源表 7硬碳负极材料参数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，光大证券研究所整理不同硬碳前驱体的性能侧重点不同，根据应用领域需求痛点不同，未来硬碳路线或呈现百花齐放格局。对于成本敏感的市场（电动两轮车、低速车等）来说，克容量在 280290mAh/g，首次效率在 90左右的低端硬碳材料就能满足需求，更加侧重低成本；而对高端市场应用来说，要求的比容量一般在 350 mAh/g 以上，首次效率要大于等于 92，比容量等性能参数突出的硬碳材料成为首选。 2.2.2、供应链成熟度限制修饰技术应用，预钠化是挖潜重点电池材料体系遵循“木桶效应”，各材料环节之间既存在协同作用，可以通过添加剂和修饰技术使得性能提升；也存在相互牵制，材料短板会影响新技术的推广节奏。因此，基于硬碳负极的钠电池材料体系修饰技术，以及辅材的开发，是在产业链实现从 0 到 1 的阶段中下一步需要解决的问题。硬碳材料在钠离子电池中的性能提升策略主要集中在以下几个方面（1）通过调控前驱体的合成以及热解过程在微观上调控硬碳的孔隙结构和层间距；（2）与其他材料的包覆复合、杂原子掺杂等来调控材料的缺陷程度和层间距；（3）电解液的调控（4）预钠化的处理。敬请参阅最后一页特别声明 -14- 证券研究报告电力设备新能源表 8钠电池硬碳材料的性能提升策略硬碳技术路线目的具体方法/作用原理前驱体选择与结构调控构建三维结构的硬碳负极，以促进离子的快速传输，提高快充性能选择具有天然多孔结构的生物质材料，设计结构理想的树脂前驱体，高温热解反应（碳化）改善材料的多孔结构预氧化将前驱体改性为适用于生产钠电负极的硬碳材料在碳化的早期阶段预氧化原材料能够将可石墨化的聚合物转化为不可石墨化的硬碳造孔技术改善硬碳的电化学性能利用小分子溶剂和模板剂等预处理前驱体调控硬碳材料的孔隙结构杂原子掺杂（通常是氮、硼、硫和磷）提高硬碳负极电化学性能，改善硬碳材料的特性，如表面结构、电子导电性、层间距等通过掺杂产生外部缺陷，在结构中提供更多的孔隙，增加活性位点，增大层间距，从而进一步提高电导率与可逆容量，有利于钠离子脱嵌包覆解决硬碳材料固有比表面积大和导电性不足的问题导电性材料复合能提高电化学性能，硬碳表面包覆软碳能提高首次库伦效率电解液调控提高材料的电化学性能醚类电解质可产生薄且低内阻的SEI膜，与酯类电解液混用提高电池的倍率性能。使用电解液添加剂预钠化提高硬碳负极材料的首次库伦效率ICE，避免较低 ICE对电池能量密度和循环性能产生不利影响原位掺杂预钠化、接触预钠化、化学反应法、电化学法、正极预钠剂资料来源董瑞琪钠离子电池硬碳负极储钠机理及优化策略，冯鑫硬碳材料的功能化设计及其在钠离子电池负极中的应用，殷秀平钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展，光大证券研究所整理前驱体的调控、改性、掺杂、包覆是当前负极厂商首要解决的产业化问题；电解液调控可提高硬碳材料的电化学性能、倍率性能，需要电池厂商与电解液厂商合作研发，也有望较快产业化。预钠化技术与预锂化技术策略与实现手段基本相似，对硬碳负极的性能提升较为显著。但考虑到补锂技术的应用要慢于锂电技术整体发展节奏，且现有的补钠技术还不成熟，工艺复杂且成本高，技术壁垒较高，产业化周期可能较长。图 7预钠化策略资料来源殷秀平，钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展 2.3、工序设备复杂多样硬碳生产的技术壁垒主要体现在原料选取、交联处理、碳化、纯化等过程中的工艺控制与技术积累。硬碳负极制备的基本环节包括前处理、碳化、纯化等工序。根据原材料的特性，中间会再加入酸洗、水洗、烧结、缩聚固化等工序；根据所需材料性能要求的区别，设计包覆、掺杂、预处理、改性等工艺。由于前驱体来源不具有一致性，广泛的原料对应了不同的工序与工艺，钠电硬碳负极的生产工序与设备选型也具有复杂性。硬碳负极的制备设备包括粉碎机、球磨机、反应釜、喷雾干燥机、保护气氛反应炉以及一些均质混合设备、包覆设备敬请参阅最后一页特别声明 -15- 证券研究报告电力设备新能源和筛分设备等。由于部分生产设备仍依赖进口，研发适配各负极厂商产线的国产设备是降本关键，还需进行非标设备的自研。前处理与纯化工序增加成本与环保压力。在前处理环节，对于生物质前驱体，大多要先进行破碎、提纯等前处理工序，沥青材料则要先进行交联氧化处理，使其具备非石墨态结构。这些工序涉及到使用催化剂、氧化剂、氢气等添加剂，增加了生产成本。在纯化环节可能会产生硫化物、二氧化硫等废气废水，会带来较大的环保压力。图 8不同前驱体硬碳负极生产工艺流程资料来源国家知识产权局，光大证券研究所整理敬请参阅最后一页特别声明 -16- 证券研究报告电力设备新能源 3、投资建议硬碳研发仍待攻坚，新老厂商布局加速 3.1、资本助力产业链创新，生物质将最先产业化锂矿价格居高不下使得生产商纷纷将目光投向钠离子电池，也带来了资本领域的关注。此外，由于产业的高度相似性，钠电产业化得以受益于锂电的产业链成熟度与积淀，为上下游的高效研发响应与快速迭代创新提供了很大助力。图 9钠离子电池产业链布局资料来源乐晴智库从新老厂商专利和产品来看，生物质硬碳负极成为厂商当前布局的重点。比容量方面，生物质、树脂、石墨烯的比容量较高，均处于 300 mAh/g 以上，无烟煤和沥青基比容量较低。首效方面，生物质较为领先，沥青、无烟煤首效较低。循环寿命方面，优异的生物质硬碳负极能达到 3000 次以上，足以满足动力以及部分储能领域的应用需求。表 9硬碳负极企业现有专利产品梳理企业机构前驱体比容量比表面积首效循环寿命山西煤化所淀粉 369.8 mAh/g 1-30m2/g 84 江苏智纬生物质掺杂 N 300 mAh/g，200 次循环后保持率在 95 多氟多新材料生物质-核桃壳沥青包覆 260 mAh/g 85-92 杉杉石墨烯 S/N掺杂、碳壳包覆 0.2C 放电下 445 mAh/g 87.5-89 翔丰华生物质沥青包覆 236-261 mAh/g 2.83-3.86 m2/g 87-92 中科海纳无烟煤/生物质碳 300 mAh/g 80 邦普循环石墨烯 600 mAh/g 1C 放电下 354 mAh/g 佰思格生物质三层碳源烧结 300-420 mAh/g 88-93 1500-3000次树脂掺锡 320-385 mAh/g 86.2 鸡西市唯大新材料生物质循环500圈后200.2 mAh/g 1023.79 m 2/g 沥青基 200 mAh/g 70-95 大连中比动力电池生物质 310 mAh/g ≥88 ≥3000次生物质/树脂/有机聚合物/无烟煤包覆 ≥91 ≥3200次无烟煤 ≥280 mAh/g ≥85 ≥2500次欣旺达生物质-花生壳掺 N、P、B 1570 次资料来源国家知识产权局，光大证券研究所整理敬请参阅最后一页特别声明 -17- 证券研究报告电力设备新能源表 10负极企业产业布局企业机构前驱体修饰工艺生产工序研发进展布局情况佰思格生物质三维立体核壳结构负极材料分三层碳源烧结可逆比容量达到420mAh/g,首次效率达到93,