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负极碳包覆行业研究报告下游行业高景气，发展空间广阔

作者：笔墨
2023-01-11 15:36:51
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（报告出品方/作者国海证券，李航，邱迪）

核心观点

负极碳包覆行业龙头德新材2022年9月上市，我们对市场关心的碳包覆行业的问题做以下解答碳包覆必要性碳负极材料电性能的两个最关键因素是石墨化程度与SEI膜致密程度，前者影响比容量，后者影响循环稳定性。而为了兼得比容量 +循环稳定性，可通过碳包覆结合石墨本身的高比容+包覆材料的循环稳定。目前无定形碳包覆材料主要有沥青、酚醛树脂等，石油基可纺沥青由于克容量更高+污染小，成为目前包覆主流技术路线。碳包覆添加量根据已有文献且结合负极上市公司实际披露数据，可得出天然石墨添加量在8%左右，人造石墨在11%；根据贝特瑞专利口径，硅基负极预计在20%；钠电硬碳负极预计在1-30%。天然→人造→硅基，碳包覆添加量从不足10%提升至20%。

市场空间快充趋势下，高添加量的人造石墨+硅基负极渗透率提升，负极碳包覆行业增速高于下游锂电增速。我们预计2022年行业规模为17亿元，2025年为40亿元，CAGR达32%。行业壁垒产品核心竞争点在于原材料和生产工艺，行业公司主要通过设备研发提升产品品质。降本途径沥青包覆材料主要原料为古马隆树脂，可通过采购乙烯焦油外包加工模式降本。以德新材为例，产品材料成本占比70%+，公司采购乙烯焦油，通过代加工方式实现上游一体化。德新材上游一体化可实现产品单吨净利提高17%。产能规划目前碳包覆材料行业规划产能为19.4万吨，2021年行业产能为6.9万吨，预计2023年达到12.5万吨。

竞争格局从供给侧看，2021年德新材产能在行业中占比为36.2%，2023年产能市占率预计为37%，德新材为行业龙头。2021年新疆中碳、辽宁润兴为行业头部企业，随着辽宁奥亿达的规划产能释放，2023年辽宁奥亿达市占率也将大幅提升。相较其他公司，德新材客户、成本、技术优势更加突出，我们预计公司未来将持续保持龙头地位。  综合看负极碳包覆行业材料成本占比较高，但是降本路径明确；行业高壁垒，竞争格局较好，德新材产能规划积极，产品客户先发优势明显，预计将长期保持龙头地位。

沥青基碳纤维包覆材料向下游应用拓展，高行业壁垒，国内仍处于产业发展初期。沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料，通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维，按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维。从制备工艺上看，沥青调制是其制备的关键步骤，要求其中间相沥青具有高度各向异性同时具有良好纺丝性，沥青基碳纤维可由碳负极包覆材料制备。目前沥青基碳纤维主要生产厂商为日本厂商，我们预计其未来有望迎来快速国产替代。

行业规模沥青基碳纤维目前应用场景较少，主要可用在军事及航空航天领域。根据德新材招股书，2021年国内沥青基碳纤维市场空间为6.4 亿元，市场仍处于发展初期。跟据我们测算2021年全球沥青基碳纤维行业规模为25亿元。德新材的沥青基碳纤维产品先发布局民用方向，子公司大连德新材料主要负责该业务。根据公司招股书，2022年公司主要将沥青基碳纤维应用在储能电池，并且为沥青基碳纤维毡项目储备了相关技术。

一、初识负极碳包覆提升负极材料性能，主流路线是石油基可纺沥青

1.1、碳包覆重要性进一步提升负极的充放电性能

影响锂离子电池碳负极材料电性能的两个最关键因素石墨化程度与SEI膜致密程度，前者影响比容量，后者影响循环稳定性。单纯用石墨材料无法兼顾二者。1）碳材料的石墨化程度高→比容量越大；2）形成SEI膜致密程度适中→首效损失小，且避免溶剂分子嵌入，提升负极的循环稳定性。但二者性能无法兼得，原因为碳材料的石墨化程度越大, 而基底表面碳微晶边、面之间存在较大的差别, 如: 存在与电解液反应导致电解液的分解, 进而破坏碳材料的结构, 以致不利于碳负极表面的致密钝化膜的生成, 使得实际的放电容量, 首次充放电效率很低。

为了兼得比容量+循环稳定性，可通过碳包覆结合石墨本身的高比容+包覆材料的循环稳定。1）石墨作为负极，优点是比容量高，但会造成电解液的还原，影响体系的稳定；2）无定形碳作为负极, 优点是与电解液的反应少, 虽可生成比较致密的钝化膜, 但比容量小。为了兼得二者优点, 普遍采用包覆技术制备具有核壳结构的碳材料, 即以高结晶度碳材料（例如石墨）为核材料, 以无定形碳材料为壳材料（包覆材料），各取其优点, 起到既能抑制电解液的分解, 又能增加电池容量, 改善其循环特性的效果。

1.2、碳包覆主流路线以石油基可纺沥青为主流路线

从材料性能看，包覆石油基可纺沥青石墨化后，克容量更高+污染小，成为主流技术路线。无定形碳包覆材料主要有沥青、酚醛树脂等。其中酚醛树脂包覆层与石墨基体结合的牢固性差，包覆层容易被破坏，效果不佳，因此并非主流路线。沥青基经过交联固化形成的多芳环结构化合物与石墨材料结构相似, 结合力强，提高了负极材料与电解液的相容性, 防止了溶剂的共嵌入, 分解和石墨结构剥离, 具有很高的可逆电化学容量, 提高了负极材料的首次库仑效率和循环稳定性。沥青基又分为煤基可纺沥青和石油基可纺沥青，其石油基沥青石墨化后克容量更高且污染排放更小，因此目前负极碳包覆以石油基可纺沥青为主流技术路线。

1.3、碳包覆添加量天然→人造→硅基，碳包覆添加量从不足10%提升至20%

根据已有文献且结合负极上市公司实际披露数据，可得出天然石墨添加量在8%左右，人造石墨在11%；根据贝特瑞专利口径，硅基负极预计在 20%；钠电硬碳负极预计在1-30%。文献口径按照已有文献数据，天然石墨最佳添加量范围在5%-11%之间，均值为8%；人造石墨最佳添加量范围在6%-15%之间，均值为 11%；此外，根据负极龙头贝特瑞的专利看，硅基负极的添加比例预计在20%，钠电硬碳负极预计在1-30%。公司口径紫宸主打高端人造石墨添加量高，在13%左右；杉杉定位中高端，添加量在10%左右；凯金及翔丰华定位中低端，添加量在5%左右。

1、4市场空间预计2025年行业规模为40亿元，2022年-2025年CAGR达32%

全球锂电池出货量的快速提升带动负极碳包覆材料需求提高。我们预计2025年全球锂电池出货量为1859GWh，假设单GWh锂电池负极需求为 1300吨，对应全球负极材料出货量242万吨，其中硅基负极出货量为12万吨，石墨负极出货量230万吨。假设硅基负极碳包覆比例为20%，石墨负极碳包覆比例为11%，因此2025年全球负极碳包覆材料需求量为27.7万吨。根据2021年德新材包覆材料单价，假设碳包覆材料单价为1.45万元 /吨，因此2025年其市场空间为40亿元，2022年行业空间为17.3亿元，2022-2025CAGR达32%。

二、负极碳包覆行业材料成本高占比，德新材龙头优势明显

2.1、高温负极包覆材料行业壁垒更高，核心在于原材料和生产工艺

高温沥青行业壁垒更高，德新材产品性能更优。在相同软化点下，采用石油基可纺沥青技术路线生产出的产品虽然结焦值略低、灰份含量略高，但隆淋不溶物含量远低于煤基可纺沥青产品，产品包覆效果更佳。在相同软化点下的产品，德新材产品结焦值上限普遍较高，哇啉不溶物及灰分含量均较低，相应杂质含量少，包覆效果越佳。同时德新材在相同软化点的负极包覆材料产品，其覆盖的结焦值范围更广，产品适用范围更广。整体看高温负极包覆材料包覆效果更好，行业壁垒更高，其壁垒核心在于原料选用和生产工艺之间的交联，过滤、气体熔融等步骤技术难度较大；目前做高温产品的厂家也在进入中低温产品，中低温产品相对壁垒更低，竞争关键在于规模化的生产成本、客户认证、产业链合作优势。

2.2、碳包覆产品材料成本占比最高，上游乙烯焦油一体化实现降本

德新材碳包覆材料制备工艺流程由原料混合器在常温密闭下搅拌混合，并在密闭条件下，将原料熔融，经过滤器过滤，进入反应釜，进行闪蒸，提炼出的非目标产物组分经换热器冷却，收集得副产品橡胶增塑剂；经过闪蒸后的物料由泵转入过滤器过滤后进入反应釜进行气提，气提后的物料经交联缩合及沉降分离后得到粗负极包覆材料，气提出的非目标产物组分经换热器冷却得到副产品橡胶增塑剂。粗负极包覆材料经进一步精制纯化并检验合格后成型进入成品料仓，最后将料仓中成品负极包覆材料包装入库。

沥青包覆材料主要原料为古马隆树脂，可通过采购乙烯焦油外包加工模式降本。以德新材为例，其碳包覆材料主要原材料为古马隆树脂，2021 年公司古马隆树脂采购平均单价为3432.67元/吨；从公司负极包覆材料业务成本看，材料成本占比70%+，因此材料降本是公司的发展诉求。由于古马隆树脂可由乙烯焦油制备，1单位乙烯焦油可分解为0.6单位的古马隆树脂以及0.4单位的裂解萘馏分；因此公司采购乙烯焦油，通过代加工方式实现上游一体化。

2.3、德新材行业龙头优势突出，产能规划量最大

目前碳包覆材料行业规划产能为19.4万吨，2021年行业产能为6.9万吨，预计2023年达到12.5万吨。由于碳包覆材料行业规模较小，客户导入周期较长等因素，因此国内相关厂家数量较少。从产能看，目前国内德新材，新疆中碳，大连明强等产能相对较高，分别为2.5/1.0/0.5万吨。目前德新材、辽宁奥亿达、辽宁鸿宇、辽宁润兴、大连中天在未来有进一步的产能新建以及释放计划，行业整体处于积极扩产阶段。

竞争格局德新材行业龙头地位优势突出。根据德新材招股书，从销售量看，2020年公司在负极包覆材料行业的市场占有率在 27%-39%之间，为行业领先企业。从供给侧看，2021年公司产能在行业中占比为36.2%，2023年产能市占率预计为37%，因此供需两个角度看德新材为行业龙头。除德新材外，其他国内公司为非上市公司，收入数据较难获得。因此从供给角度判断，2021年新疆中碳、辽宁润兴为行业头部企业，随着辽宁奥亿达的规划产能释放，2023年辽宁奥亿达市占率也将大幅提升。相较其他公司，德新材客户、成本、技术优势更加突出，预计未来将持续保持龙头地位。

三、沥青基碳纤维高行业壁垒，国内仍处于产业发展初期

3.1、沥青基碳纤维概况热导率和模量更高，目前国内处于产业发展初期

碳纤维是一种含碳量在90%以上的碳主链结构无机纤维，通过高温分解法去除除碳以外绝大多数元素，由有机纤维（聚丙烯腈基（PAN）、沥青基、粘胶基纤维等）在1000℃高温以上的惰性气体中裂解碳化制成，其中全球90%以上的碳纤维是由PAN制成。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，强度强度约为钢的10倍）、模量高、密度小（密度为钢的1/5、铝合金的1/2）造就其轻量化的特点。除此之外，碳纤维还具备耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高温、电及热导性高等特点。碳纤维按照原丝类型可分为三类沥青基碳纤维以沥青为原料，提高沥青的使用价值，尺寸稳定性好。沥青基碳纤维与氰酸酯树脂制成的复合材料热膨胀系数小，可以用作人造卫星材料或其他精密材料；

粘胶基碳纤维由含纤维素的粘胶纤维组成，石墨化程度低、导热系数小，适合作为隔热材料；聚丙烯腈基碳纤维以聚丙烯腈（PAN）为原料，是所有碳纤维中用途广、用量大、性能好的品种。聚丙烯腈碳纤维占据主流地位。

沥青基碳纤维是指以沥青等富含稠环芳烃的物质为原料，通过聚合、纺丝、不熔化、碳化处理制备的一类碳纤维，按其性能的差异又分为通用级沥青碳纤维和高性能沥青碳纤维，前者由各向同性沥青制备，又称各向同性沥青级碳纤维，后者由中间相沥青出发制备，故又称为中间相沥青级碳纤维。从性能上看，沥青基碳纤维相比PAN基碳纤维热膨胀系数低、碳化收率高、耐冲击性能好、热导率高，但是其强度低于PAN基碳纤维。同时从制备工艺上看，沥青基碳纤维产品核心设备部分仍需进口，同时原材料可纺沥青目前国内仍处于技术突破期，还没有实现技术的全面突破，形成大规模的量产能力。以上条件限制了沥青基碳纤维在我国的应用与发展，随着沥青基碳纤维强度提高以及规模化能力起来以后，未来其应用空间有望快速打开。

3.3、沥青碳基纤维国外主导，国内公司积极布局研发

根据德新材招股书，沥青基碳纤维主要生产厂商为日本厂商，如日本吴羽（Kureha）化学工业株式会社、日本东丽（Toray）株式会社、三菱树脂株式会社等，国内碳纤维生产厂商主要为鞍山塞诺达碳纤维有限公司等公司，但国内外厂商产能基本都在百吨级别，产能规模较小，且极为分散，下游需求暂不稳定。从产能看，湖南东邦以及鞍山赛诺达产能最高，年产能突破百吨，其他公司产能布局较小。从各家产品类型看，高性能沥青纤维是大多数公司在研或者已经推出的产品，主要因为其相对价值更高，应用广泛。

从公司类型看，部分公司如辽宁诺科，掌握沥青碳基纤维全流程工艺，拥有完全自主产权，而像德新材等公司过去主要做可纺沥青，为沥青碳基纤维上游，目前通过上游材料优势进军下游市场。整体看国内公司沥青碳基纤维实现规模化出货较少，对标国外公司，技术和产能、成本差距较大。随着产业技术突破以及下游应用的快速推进，预计行业未来将迎来较快成长。

通用级基碳纤维相对制备工艺更加成熟，而高性能沥青碳基纤维制备更加复杂，核心工艺技术被海外企业掌握。目前日本和美国掌握了成熟的中间相沥青制备技术，日本的高纯可纺萘基中间相沥青和美国的石油基可纺中间相沥青均处于世界领先地位，我国现有中间相沥青大规模制备工艺得到的产品品质相对国外仍有差距。同时国内熔融纺丝工艺目前仍处于实验室阶段，距离低成本的规模化生产工艺还有一定时间。

我们根据辽宁诺科的环评数据，测算其产品的单吨成本及毛利。目前中间相碳纤维主要材料为中间相沥青以及碳酸氢钠、聚乙烯醇，假设中间相沥青单吨价格100万元，沥青与产成品投入产出比为2720，其材料单吨成本为135万元，占比58%。假设人员月工资6000元，总人员36人，单位人工成本为13万元/吨；能耗主要为水、电、氩气、氮气，根据测算单位能耗成本为27.4万元/吨，占比12%。折旧按照设备折旧期10年，单位折旧成本为 57.1万元/吨，占比25%。相较PAN基相关产品，其材料成本占比更高，主要由于中间相沥青制备复杂，国内产量较低。同时沥青基碳纤维核心设备功率较高，因此其能耗成本较大。我们假设中间相碳纤维单价为1000万元/吨，其毛利率可达到77%，高于目前光威复材的碳纤维产品毛利率70%，所以中间相沥青基碳纤维价值量相对盈利能力更高。

根据德新材招股书，沥青基碳纤维主要生产厂商为日本厂商，如日本吴羽（Kureha）化学工业株式会社、日本东丽（Toray）株式会社、三菱树脂株式会社等，国内碳纤维生产厂商主要为鞍山塞诺达碳纤维有限公司等公司，但国内外厂商产能基本都在百吨级别，产能规模较小，且极为分散，下游需求暂不稳定。

从产能看，湖南东邦以及鞍山赛诺达产能最高，年产能突破百吨，其他公司产能布局较小。从各家产品类型看，高性能沥青纤维是大多数公司在研或者已经推出的产品，主要因为其相对价值更高，应用广泛。从公司类型看，部分公司如辽宁诺科，掌握沥青碳基纤维全流程工艺，拥有完全自主产权，而像德新材等公司过去主要做可纺沥青，为沥青碳基纤维上游，目前通过上游材料优势进军下游市场。

沥青基碳纤维目前应用场景较少，主要可用在军事及航空航天领域。根据赛奥碳纤维技术的数据，2021年国内中国碳纤维的总需求为62,379吨，对比 2020年的48,851吨，同比+27.7%。其中风电叶片、体育休闲、碳碳复材、压力容器是目前国内主要的碳纤维应用领域。而沥青基碳纤维由于成本较高、强度较低、制备复杂等原因目前在国内应用较少。

其中中间相沥青基碳纤维具有超高模量、超高导热及导电性的性能，可应用在航空航天、火箭喷嘴、飞行器高刚度面板、飞行器电磁屏蔽防护系统等重要部位也可用于机器人手臂、电子产品热管理、LED热管理等领域。而通用级沥青基碳纤维由于技术更加成熟，成本相对更低，主要应用在民用领域居多，如高尔夫球杆、钓鱼竿、自行车架、球拍等，以及可以与其他材料复合制作成建筑材料。根据德新材招股书，2021年国内沥青基碳纤维市场空间为6.4亿元，市场仍处于发展初期。