动力电池新技术展望系列报告五：导电炭黑国产替代启动，创新驱动下一代导电剂体系迭代

碳中和政策加码，导电剂为动力电池关键辅材，导电剂需求持续高增：2020年，世界主要经济体都把疫情后的经济复苏突破口选在了“绿色复苏”上，并且中国、欧洲、美国等地区碳中和目标屡超预期，碳中和毋庸置疑已成为全球大趋势，作为能源需求端最重要的场景之一，新能源汽车也成为了世界各国发展的重点。导电剂是锂离子电池关键辅材，对改善电池导电性能、容量、倍率性能、循环性能有着重要的作用。导电剂成本占电池总成本比例低，客户对其价格敏感度低，下游接受度高，在成本及性能的综合考量下，未来导电剂体系将逐步从单一化走向多元复合化。海外企业具有先发优势，国产替代空间逐步打开，“炭黑+碳纳米管”技术或将迎来发展空间。 导电炭黑：供应压力+技术迭代，国产化时代来临。导电剂国产替代趋势加速，产能技术突破，指标严苛，吸油值和金属杂质含量为锂电炭黑核心品控指标，生产技术要求高。进口商海外扩产难，国内产线改造耗时，2024年前进口供应紧张且短期成本承压。国内企业整体实力分层，2020年国内炭黑年产量超30万吨的炭黑企业仅4家，技术工艺成熟，研发带动生产，中国导电炭黑领域专利申请逐年递增，产学结合密切，技术持续迭代。国产炭黑企业对标海外：陆运替代海运，成本占优。炭黑收得率较高的国际先进企业，成本主要来自生产过程中的损耗等。对标国内：部分企业投产时间早，布局多元，同时较早切入特种炭黑领域，出货持续稳定。但煤焦油成本占比较大，受国际形势影响成本承压，且新冠疫情防控形势严峻，或将对生产、运输及下游需求造成负面干扰。 海外企业先发优势，早期垄断领跑。益瑞石为全球导电炭黑龙头企业，深耕炭黑多年、技术雄厚、生产经验丰富；成立于1908年，1980年开发炭黑工艺，并从1982年开始进行商业化，2020年前国内市场几乎被益瑞石垄断。卡博特的业务始建于1882年，于1960年在美国正式注册成立公司，其主要产品有橡胶和特种级炭黑，国内拥有多家子公司。 国产替代加速，行业稳中向好。目前，无锡东恒是国内最大的动力用高性能碳纳米复合导电材料的供应商。焦作和兴打造乙炔黑国产品牌，专业生产乙炔黑（又称乙炔炭黑），以及电石、双氧水等产品。炭黑龙头黑猫股份炭黑年产能为110万吨，居国内首位，公司具备成熟的生产工艺和较大生产规模，原料、生产、环保后处理、人才梯队等方面具有良好的协同效应。 投资建议：随着新能源车渗透率持续提升以及储能需求增长，未来全球锂电池装机量快速增长，导电剂需求或将持续提升。受国际局部冲突影响，导电炭黑供应端紧张叠加技术迭代，国产化替代时代来临，行业景气度上行。建议关注导电剂材料体系创新迭代，与导电剂体系技术演进： （1）导电炭黑国产替代空间广阔，关注黑猫股份； （2）导电剂配方迭代，碳纳米管渗透率提升，关注天奈科技、道氏技术等。 风险提示：国家或对石油炼化领域进一步采取供给缩紧政策，导电剂下游需求不及预期，产业链公司扩产导致竞争加剧、产能过剩，新型导电剂产品开发需要较长周期，新技术应用进度尚存不确定性。 1、动力电池关键辅材，导电剂需求高增 1.1、动力电池关键辅材，受益于新能源汽车产业发展 面对2020年全球新冠疫情的冲击和影响，世界主要经济体都把疫情后的经济复苏突破口选在了“绿色复苏”上。碳中和已成为全球大趋势，作为能源需求端最重要的场景之一，新能源汽车也成为了世界各国发展的重点。 锂电炭黑是正负极材料里必须使用到的导电剂、添加剂，受益于新能源汽车产业的飞快增长，自身也有可观增长。导电剂是锂离子电池关键辅材，用于提升正负极导电性能，对改善电池导电性能、容量发挥、倍率性能、循环性能有着重要的作用。 由于大部分正极材料活性物质导电性差，内阻较大，因此需要导电剂构成导电网络以提高电极材料活性物质与集流体之间的导电性，目前导电剂主要应用在正极极片上，未来随着硅基负极加速渗透，导电剂在负极极片应用将提速。此外，导电剂也可以提高极片加工性，促进电解液对极片的浸润，有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率，降低极化，从而提高电极的充放电效率和使用寿命。 图1：导电剂在锂电池中的作用 导电剂对正极和负极端的应用效果和配方体系不同。锂电正极材料导电性能较差，主要通过添加导电剂保证活性物质之间的连接，以提升正极导电性。在负极材料方面，碳纳米管作为导电剂通过削弱负极材料的膨胀性，提高电池循环寿命。 图2：电极活性物质与导电剂微观结构图 导电剂对电池性能提升显著，成本敏感度低，下游接受度高。导电剂对于电池能量密度、快充等性能的提升较为显著。导电剂质量分数占比较低，成本占电池总成本约1-2%，成本敏感度低，下游接受度高。新型导电剂的开发或将较大助力下一代动力电池性能提升。 图3：三元动力电池成本结构图 图4：不同导电剂对电池性能的影响 1.2、体系日趋多元，国产化机遇来临 新型导电剂vs传统导电剂：多维度下综合对比 不同类型导电剂由于空间结构、产品形貌不同，其导电性能和对锂电池能量密度、倍率性能、寿命性能影响不同。锂电池目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、VGCF类、碳纳米管以及石墨烯等。其中炭黑类、导电石墨类和VGCF属于传统导电剂，碳纳米管以及石墨烯属于新型导电剂材料。 产业发展趋势：导电剂体系日趋多元化，产业持续高增，国产化空间打开。 在成本及性能的综合考量下，未来导电剂体系将逐步从单一化走向多元复合化。 炭黑需求持续高增，海外企业具有先发优势，国产替代空间逐步打开。与海外企业相比，国内企业的优势主要在于生产基础较好、基地数量较多、人员团队条件、原材料煤焦油整体供应情况、市场条件更好。国内锂电市场发展起来以后，国内炭黑企业也在加速研发。此外，产业协同上也有较好的效应，可以综合利用上下游的工艺，包括一些环保后处理的优势。 导电剂国产替代趋势加速，产能技术突破 2020年前Super P、科琴黑、乙炔黑等导电炭黑主要从国外进口，2021年以来“双碳”背景带来导电炭黑国产化机遇。多元复合导电体系渗透率不断提升，“炭黑+碳纳米管”的技术或将迎来发展机遇。 图5：2014-2020年中国锂电池导电剂国产化率变化情况 2、导电炭黑：供应压力+技术迭代，国产化时代来临 2.1、体系日趋多元，国产化机遇来临 炭黑是烃类化合物经不完全燃烧或热裂解生成的物质，主要由碳元素组成，由近似球体胶体粒子以聚集体形式存在。常见导电炭黑品类有Super P、乙炔黑、科琴黑。锂电级炭黑技术壁垒最高，应用占比低、提升迅速。 图6：炭黑结构性能变化图 导电炭黑指标严苛，生产技术要求高 吸油值和金属杂质含量为锂电炭黑核心品控指标，炭黑导电性一般用吸油值DBP来衡量，值越大导电性越好。电池级导电炭黑的吸油值需要至少达到 250ml/g。导电炭黑原材料一般是原油裂解后的产物，也叫原料油，包括乙烯焦油、煤焦油、蒽油等。蒽油、乙烯焦油适用于做导电炭黑，煤焦油适用于做橡胶炭黑。不同原料油的成本、耐温性和纯净度有差异。 制备工艺：炉法vs.乙炔裂解。炭黑的制备主要使用炉法，炉法需要使用原料油，工艺较成熟。小部分企业使用乙炔，通过乙炔热裂解得到炭黑。炭黑企业一般都有橡胶炭黑生产线和特种炭黑生产线两种。导电炭黑一般需要特种产线，设备精度要求很高，后处理环节关键，产能效率低于一般炭黑。 设备核心工艺：油路设计和喷嘴精密度。油路设计是指设计油在炉内如何流动，之后再通过喷嘴把油雾化成油滴进行燃烧。所以喷嘴的精密度很重要，雾化均匀的油滴，一方面能使最终生产的炭黑产品有均匀的稳定性，一方面能使不完全燃烧更充分，炭黑收得率和利润率更高。炉子的耐高温性也很重要。国内自主研发万吨级反应炉的企业较少，且纯化实现路径需长期研发积累，因此导电炭黑呈现高技术门槛。 成本结构：原材料、人工成本占比较小，成本大部分来自于生产过程中的损耗，因此良率、生产过程中的know-how具有较高的壁垒。 图7：导电炭黑生产工艺流程图 2.2、海外企业先发，供应逐渐承压 海外产能有限，扩产周期较长，国内产线改造耗时，环保严格，锂电炭黑供不应求，价格上涨短期成本承压。海外锂电炭黑主要厂家有法国的益瑞石集团，生产的super P炭黑产品用于锂电池。除了益瑞石，美国的卡博特公司也供应了一定量的炭黑可以用于锂电。 2.3、国内行业分层，技术储备夯实 国内炭黑行业整体实力分层。据各家公司2021年年报，黑猫股份、龙星化工、永东股份和金能科技均具备超30万吨年产能。其中，黑猫股份2013年以来产量均超90万吨，占据榜首，整体实力分层。 炭黑生产能耗较大，龙头企业具有能耗指标优势，为炭黑产能进一步扩大提供空间。 图8：2019年中国炭黑市场格局（产量） 图9：2018年中国炭黑市场格局（产量） 研发带动生产。国内企业现已研发出新型油炉法和后处理法两种能满足高指标导电炭黑的工艺路线。中国导电炭黑领域专利申请逐年递增，产学结合密切，技术持续迭代。 图10：中国炭黑领域专利申请情况（个） 技术储备夯实。国内产业率先切入高纯炭黑领域，领跑特种炭黑生产及技术研发。 黑猫股份2015至2021年年均研发投入3.14亿元，年均研发费用率5.37%，研发金额和研发率均远超行业其他上市企业。 图11：软质炭黑反应炉枪头（黑猫股份自研） 图12：国内炭黑企业年度研发投入（亿元） 2.4、国产化后的潜在空间：机遇与挑战并存 国内外竞争优势对比：国产化享技术与成本红利。 对标海外：陆运替代海运，国产成本占优。炭黑收得率较高的国际先进企业，成本主要来自生产过程中的损耗等。 对标国内：部分企业投产时间早，布局多元，同时较早切入特种炭黑领域，出货持续稳定。 高端炭黑产品将会带动国内炭黑产业产品结构转型，盈利能力有望提升。国内企业技术储备已经非常成熟，战略布局清晰，通过研发来带动生产的方式进一步扩产，且相关专利申请逐年提速。 另外，导电剂已开始向复合导电剂方向发展，多元体系的复合将进一步提升导电剂效用及性能。未来拥有多种导电剂材料研发、生产能力的企业，能够提供更为完整的导电剂综合解决方案。 图13：炭黑-碳纳米管复合材料制造装置（黑猫股份自研） 图14：不同比例炭黑、碳纳米管复合的电池性能 3、产业链主要企业分析 3.1、海外企业先发优势，早期垄断领跑 美国、日本和西欧的汽车工业发展最早且最发达，因此其炭黑需求出现较早。 益瑞石(IMERYS)是全球导电炭黑龙头企业，深耕炭黑多年、技术雄厚、生产经验丰富；成立于1908年，1980年开发炭黑工艺，并从1982年开始进行商业化。 2020年前国内导电炭黑市场几乎被益瑞石垄断。 图15：益瑞石炭黑研发及生产流程示意图 图16：益瑞石炭黑产品光学照片 卡博特(CABOT)的业务始建于1882年，于1960年在美国正式注册成立公司，其主要产品有橡胶和特种级炭黑，在国内拥有多家子公司。 表1：卡博特在国内子公司 图17：卡博特ATHLOS系列碳纳米管形貌 图18：卡博特VULCAN@XC72炭黑产品导电性能 3.2、国产替代加速，行业稳中向好 无锡东恒：导电炭黑和碳纳米管浆料国产布局 目前，无锡东恒是国内最大的动力用高性能碳纳米复合导电材料的供应商。无锡东恒新能源科技有限公司主要从事新能源材料产品的开发、应用与销售，其主要产品是碳纳米管导电浆料、锂离子电池石墨烯等。其中碳纳米管粉末和碳纳米管导电浆料已经成功销售到比亚迪、韩国三星、天津力神、ATL等企业。 表2：无锡东恒新能源科技有限公司部分专利申请公开情况 焦作和兴：打造乙炔黑国产品牌 焦作市和兴化学工业有限公司始建于1964年，专业生产乙炔黑（又称乙炔炭黑）以及电石、双氧水等产品。主导产品“黑环牌”乙炔黑自1967年开始生产，年产能力15000吨，产品规格齐全，有0、25%、50％、75％、100％压缩品、造粒品（球形颗粒），是良好的导电、导热、着色、补强材料，广泛应用于干电池、锂电池、蓄电池等行业。 图19：焦作市和兴化学工业有限公司参与起草的乙炔炭黑现行标准 3.3、黑