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硬碳負極:當下鈉電池**負極材料

發布時間:2023-06-01󰇰瀏覽次數:42

鈉電池由于其成本優勢突出重圍,產業鏈加速布局,大規模商業化在即。鋰資源價格不斷上漲,鈉電池資源存量豐富,具有更好的安全性,倍率性能、低溫性能優異,在能量密度、循環壽命方面相較鋰電池略有不足。在成本方面,根據中科院物理所胡勇勝老師團隊測算,銅鐵錳層狀氧化物、普魯士白類、鎳鐵層狀氧化物三種材料體系的鈉離子電池理論 BOM 成本分別為 0.26/Wh0.26 /Wh0.31 /Wh,相比鋰電池成本優勢顯著。目前傳統鋰電企業與初創鈉電企業均在加速布局鈉電池相關產能。

鈉電池眾多負極材料路線中,硬碳具有極強的商業化潛力。目前關于鈉電池負極材料的選擇主要有碳基材料、基于轉化及合金化反應的材料、有機材料、金屬氧化物等技術路線,碳基材料來源廣泛、儲鈉能力強,已成為目前主流選擇。碳基材料按照經過高溫處理后是否會石墨化可以分成硬碳和軟碳,硬碳材料儲鈉活性位點多,比容量高,嵌鈉后體積膨脹小、安全性好、結構穩定,對比優勢明顯。國內廠商加速布局硬碳產能,規模化生產之后有望進一步降本,深化鈉電池的成本優勢。

硬碳前驅體原材料來源豐富,生物質路線未來可期。目前硬碳采用的前驅體原料主要有生物質、樹脂基和石油基等。樹脂基制備出的硬碳性能優勢明顯,但成本昂貴,產業化難度大;石油基前驅體成本低廉,原料易獲取,性價比高,但性能一般,且存在環境污染問題;生物質具有豐富的雜原子和獨特的微觀結構,通過碳化植物生物質基材制備的硬碳,保留了植物生物質模板中的材料結構和孔隙通道,表現出更高的充放電比容量、優異的倍率和循環性能。兼具高性能與低成本優勢,是目前大多數負極廠商所布局的方向。

?目前新老廠商對于硬碳負極前驅體材料的選擇和工藝路線均呈多路并行態勢。佰思格是國內**量產硬碳材料的企業,聚焦硬碳,團隊技術研發優勢明顯;杉杉股份作為負極頭部企業,布局硬碳領域多年;圣泉集團自主研發生物質秸稈精煉技術,依托秸稈項目副產的生物炭作為原料,具有明顯成本優勢;貝特瑞研發成果卓著,負極產品硅基與硬碳創新迭代;翔豐華在各項前驅體技術路線皆有布局;生物質硬碳與電容炭制備工藝具有一定相似性,元力股份作為活性炭龍頭,也在持續推進硬碳產品的制備。

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1. 鋰價高企,鈉電池發展迎來新機遇

1.1 鈉電池由于其成本優勢突出重圍,或將成為鋰電池的有效補充

鋰資源價格不斷上漲,成本優勢驅動鈉電池產業化加速。隨著新能源車市場的 快速興起和爆發,以碳酸鋰為代表的鋰電池材料價格持續上漲,目前電池級碳酸 鋰的平均報價已升至 50 萬元/噸以上,遠高于兩年前 4 萬元/噸左右,鋰電池成 本的居高不下推動了鈉電池產業鏈的加速布局。數據顯示,截止 2023 年 2 月 26 日,純堿現貨價僅為 2948 元/噸,意味著鈉電池存在明顯的原材料成本優勢,性 價比較高。另一方面,鈉資源較鋰資源而言限制程度較低,我國鈉資源存量豐富, 分布廣泛,可以支撐產業鏈大規模可持續發展,同時保障我國的能源安全。與鋰 電池進行對比,鈉電池具有的優勢是:更好的安全性(發熱少,溫度低)、倍率 性能優異(如寧德時代**代鈉電池的充電速度約為鋰電池的兩倍)、低溫性能 優異、電化學性能穩定;所具有的劣勢是:鈉電池在能量密度、循環壽命方面仍 存在天然的不足。由此決定了鈉電池未來將在低速電動車、兩輪車、儲能等領域 形成對鋰電池的有效補充和替代,以緩解鋰電池成本持續上漲給供應鏈帶來的壓 力。

 

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1.2 鈉電池產業鏈加速布局,大規模商業化在即

得益于鋰電產業鏈的成熟,各廠商高效布局鈉電上下游。與鋰電池工作原理相 同,鈉電池同樣是依靠離子在正負極間往返嵌入脫出的搖椅式電池。從制備工藝 和生產路線上來看,二者高度相似,因此鈉電池可與鋰電池共用已有產線中的大 多數環節。生產體系相通,整體技術壁壘較小、產線建設成本小,助力多家廠商 加速布局鈉電池相關產能。

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2. 硬碳成為當下鈉電池**負極材料

2.1 鈉電池眾多負極材料路線中,硬碳具有極強的商業化潛力

石墨負極難以適用于鈉電池,負極材料需重新選型。負極材料起著負載鈉離子的 重要作用,是鈉電池的核心構成材料,直接影響到電池的能量密度、循環性能、 首次效率等性能。在鋰離子電池產業鏈中已經成熟的石墨負極在鈉電池中難以適 用,這是由于其片層間距僅為 0.3354 納米,而鈉離子原子半徑比鋰離子大 35%以 上,無法與石墨形成熱穩定的插層化合物,使其應用受到很大限制;另外,研究 表明鈉離子-石墨嵌入反應的結合能 G 大于 0,導致鈉離子在石墨層間進行嵌脫的 有效性下降。在選擇負極材料時,應綜合考慮離子電子導電率、穩定性、電化學 性質、比容量、原料及工藝等方面的要求,目前關于鈉電池負極材料的選擇主要 有碳基材料、基于轉化及合金化反應的材料、有機材料、金屬氧化物等技術路線。

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碳基材料來源廣泛、儲鈉能力強,已成為目前主流選擇。在眾多鈉離子負極路 線中,基于轉化及合金化反應的材料在儲鈉過程中體積膨脹嚴重,活性物質粉化, 導致容量衰減,循環穩定性差,另外成本高昂;有機材料在循環中容易出現極化 問題,首次效率低,且有機分子易在電解液中溶解;金屬氧化物的穿梭效應較為 嚴重,比容量偏低,加之原材料成本較高。以上材料與碳基材料相比優勢均不明 顯。碳基材料按照經過高溫處理后是否會石墨化可以分成硬碳和軟碳,在經過 2800°C 的高溫處理后不會石墨化的碳稱之為硬碳,軟碳是高溫處理后可以石墨 化的碳。1232257.png

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硬碳材料儲鈉活性位點多,比容量高,對比優勢明顯。相較軟碳而言,硬碳內部 晶體排布孔隙較多,雜亂無序,存在多種類型的可逆儲鈉位點,儲鈉容量高。硬 碳儲存鈉離子的位點主要包括:

1)通過嵌入反應儲鈉

2)在閉孔內形成原子團 簇儲鈉 

3)在電解液表面通過電容型吸附儲鈉 

4)在缺陷位點通過贗電容方式儲 鈉。

而軟碳材料只能通過嵌入反應儲鈉,因此硬碳具有更加豐富的儲鈉活性位點, 理論容量高于石墨和軟碳材料。對于軟碳而言,可以通過造孔工藝增大容量,但 是會進一步增加成本,抵消掉了原本在軟碳前驅體選擇上的成本優勢。另外硬碳 還具有在嵌鈉后體積膨脹小、安全性好、結構穩定、導電性能良好、環境友好等 優點,并且在快充性能、低溫性能方面的表現良好。目前行業內主流企業均使用 硬碳負極路線,硬碳具有極強的商業化潛力。

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2.2 負極是鈉電池的核心材料,國內廠商正全力布局硬碳產能

鈉電池的成本結構中負極材料占比約為 16%,高于鋰離子電池的負極材料占比。在當前碳酸鋰價格不斷升高的情況下,鋰電池成本結構中正極占比約為 50%,石 墨負極成本占比為 5%-8%。而根據中科海鈉的測算,鈉電池的負極材料占比約為 16%。由于負極材料的選擇會直接影響到電池的能量密度、首次效率、循環性能 等,因此相較于鋰電池而言,鈉電池的負極選材重要性有所提升。對于硬碳而言, 其原材料的收得率較低,例如從生物質到硬碳的收得率大約只有 30%,而石墨負 極的收得率大約為 80%。因此鈉電負極原材料的選擇是目前研發的瓶頸所在,選 擇適合大規模量產的前驅體材料是當前鈉電池發展亟待解決的問題。

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鈉電負極降本空間大,國內廠商加速布局硬碳產能。目前進口的硬碳負極材料 (如日本可樂麗椰殼硬碳)價格高于 20 萬元/噸,開發低成本硬碳材料的需求極 為迫切。從長期來看,隨著國內多家負極廠商的加速布局,鈉電負極的降本路線 清晰。首先,硬碳原材料成本低廉,遠低于人造石墨的價格,如生物質原材料價 格僅在數千元/噸;其次,成功選型并大規模量產之后,硬碳的制備工藝簡單, 相對石墨而言能耗較低,促成制備成本的下降;*后,硬碳負極材料前驅體供應 充足,能夠很好地滿足市場對于鈉電負極材料的需求。目前多家企業已進入中試、 投產階段,硬碳規模化生產之后有望進一步降本,深化鈉電池的成本優勢。

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2.3 硬碳前驅體工藝多路并行,生物質路線未來可期

硬碳前驅體原材料來源豐富,前驅體選擇和工藝技術積累將構筑核心門檻。硬 碳前驅體原材料的選擇性較多,選擇時需綜合考慮原料供應難易程度、成本、性 能等標準,不同材料的制備工藝存在差異。在選材時,需要綜合考量原料可獲得 度、原料供應量、儲存與運輸方便程度、純化過程是否存在難題等方面。同時也 需要關注所生產出的硬碳的性能情況,如容量損失度、循環性能與首次庫倫效率 等。不同前驅體材料生產出的硬碳產品具有顯著的電化學性能差異,因此如何正 確選擇前驅體材料成為各公司發展硬碳負極材料的核心戰略。

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硬碳前驅體制備工藝路線長且復雜,制備流程難度較大。硬碳材料制備方法多 樣,主要流程包含各類預處理、交聯處理、中高溫碳化、深度純化以及表面改性 等,其中工藝核心是交聯固化碳化環節。此環節技術壁壘較高,且為了保證硬碳 負極材料的純度,需要在全工藝流程中做好純度控制,采取高通量多級純化工藝 獲得*終的硬碳產品。因此,碳化環節中的純度控制、溫場域流場的一致性要求 復雜度高。

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目前硬碳采用的前驅體原料主要有生物質、樹脂基和石油基等。生物質前驅體 原料主要有椰殼、秸稈、毛竹、核桃殼、糖、淀粉等;樹脂基前驅體主要采用酚 醛樹脂、環氧樹脂等原料;石油基前驅體采取瀝青等化石燃料作為原材料。不同 前驅體制備的硬碳材料表現出類似的充放電曲線,但電化學性能差別較大。

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樹脂基是一種優異的制備硬碳的前驅體,但成本昂貴,產業化難度大。相對于 生物質與石油基,樹脂基前驅體的分子結構相對簡單、可控,并且可以根據需要 設計相關的分子結構,精準構建可調節的孔結構和分子水平上的活性位點,使得 硬碳材料具有更好的倍率和循環穩定性能。使用樹脂基前驅體制備出的硬碳材料克容量高、電化學性能好、一致性好,性能優勢明顯。但樹脂基前驅體價格高昂, 量產成本壓力大。

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石油基前驅體成本低廉,原料易獲取,性價比優勢明顯,但制備出的硬碳材料 性能一般,且存在環境污染問題。瀝青在碳化過程中易于石墨化形成類石墨結構, 因此瀝青制備硬碳需要進行預處理。通常是利用交聯劑將瀝青進行交聯,改變其 微觀結構,在熱解碳化過程中阻礙石墨微晶的長大,進行固相碳化過程,即可得 到硬碳材料;另外一種調制瀝青的方法是預氧化法,即利用氧化劑對瀝青進行預 氧化處理,得到有一定氧含量的預氧化瀝青。由于有氧雜原子的存在,瀝青在熱 解碳化過程中不易形成有序的結構,從而得到微觀結構相對雜亂的硬碳材料。瀝 青基制備出的硬碳材料性價比優勢明顯,但產出的硬碳材料性能一般,并且需要 注意避免廢水煙氣對環境的破壞。

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生物質路線兼具高性能與低成本優勢,是目前大多數負極廠商所布局的方向。生物質基硬碳負極材料可通過熱解大多數碳前驅體制得。原料來源廣泛,綠色環 保,大部分是工農業生產過程中的副產品或是廢料。特別是從廢棄植物生物質中 提取的可再生硬碳,價廉易得、合成工藝多元,以之為碳源制備鈉離子負極材料, 有望實現以廢治廢的生物質廢棄物的高值化利用。

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此外,生物質本身具有豐富的 雜原子和獨特的微觀結構,通過碳化植物生物質基材制備的硬碳,保留了植物生 物質模板中的材料結構和孔隙通道,是鈉離子電池的理想負極材料。由于生物質 原材料的特殊性,所生產出的硬碳難以保證一致性,但生物質前驅體制備的硬碳 材料電化學性能優異。有研究認為以椰殼、花生殼、柚子皮、玉米秸稈等材料作 為碳源,可制備得到多孔的碳材料。微孔的存在使得材料具有大量的缺陷位,為 鈉離子的存儲提供了活性位點,提升儲鈉容量,表現出更高的充放電比容量、優 異的倍率和循環性能。生物質前驅體有望為技術研發帶來新突破,有助于硬碳材 料的產業化加速。

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生物質硬碳的制備工藝多樣,其中以一步碳化法應用*廣。生物質硬碳的制備 方法主要有:一步碳化法、活化法、水熱法等。一步碳化法通常采用熱化學法將 生物質碳在高溫缺氧條件下進行熱分解,是制備硬碳材料的一種簡單方法;活化 法是將生物質前驅體與化學試劑以一定比例混合,在高溫下反應,從而得到含多 孔結構和元素摻雜的生物質衍生碳材料;水熱法是指在密封壓力容器中將溶劑和 生物質前驅體混合,通過高溫反應來制備硬碳。另外還有模板法,得到不同結構 類型的碳材料,如碳納米片、層狀多孔碳塊和硬碳微球等。

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生物質路線研究和發展的首要難題是前驅體的篩選和確定,這將關系到原材料 的供應難度和所生產出的硬碳材料的性能。不同的生物質前驅體的分子結構、分 子量存在明顯差異,這將直接影響到所制備出的多孔碳的結構和組成,并進一步 影響到硬碳性能。在制備工藝方面,并不存在一種通用的方法可以對不同前驅體 進行加工。因此,生物質路線的首要研究難題是前驅體的篩選和確定。椰殼是目 前產業化*快的硬碳材料,實踐表明椰殼作為前驅體生產出的硬碳產品性能理想, 但未來鈉電有著廣闊的發展前景,僅依賴椰殼碳作為硬碳負極生產的前驅體原料 無法滿足需求,原料供應鏈穩定性不佳,且各方面的成本將會不斷攀升。因此, 未來各廠商將不斷推進技術升級,發揮各自的優勢尋找性價比更加優異的原材料。

目前新老廠商對于硬碳負極前驅體材料的選擇和工藝路線均呈多路并行態勢。當前硬碳市場從無到有,技術研發攻關與產業化進展將是各公司決速的關鍵。日 本可樂麗采用椰殼作為硬碳前驅體路線,工藝包括碳化、研磨、堿液浸漬、純化 CVD 處理等流程,技術難度大,所生產出的產品性能好;佰思格是國內**量 產硬碳負極材料的企業,聚焦硬碳領域,團隊技術研發優勢明顯;杉杉股份作為 負極頭部企業,布局硬碳領域多年,自 2010 年起便開始陸續申請硬碳制備領域 專利;圣泉集團自主研發生物質秸稈精煉技術,依托秸稈項目副產的生物碳作為 原料,進入硬碳制備領域具有明顯成本優勢;貝特瑞研發成果卓著,負極產品硅 基與硬碳創新迭代;翔豐華在各項前驅體技術路線皆有布局;珈鈉能源主要產品 包括聚陰離子型正極材料和生物質硬碳負極材料,產業化進程正在分步實施;生 物質硬碳與電容炭制備工藝具有一定相似性,元力股份作為活性炭龍頭,也在持 續推進硬碳產品的制備。

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國內負極廠商加速布局,生物質路線成為當下前驅體材料的主流選擇。佰思格、 杉杉股份、翔豐華等負極企業在硬碳制造領域充分布局專利,另外,鈉電與鋰電 產業高度相似,得益于國內鋰電產業鏈的高度成熟,為技術的突破與更新迭代提 供良好條件。

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預計到 2025 年,國內鈉電池硬碳負極需求量達到 76560 噸,對應市場空間有望 達到 68.9 億元。作為鋰電池的有效補充,鈉電產業有著豐富的降本空間,硬碳 負極有望實現廣泛應用。《中國鈉離子電池行業發展白皮書(2022 年)》中認 為,在綜合對比分析了鉛酸電池、三元電池、磷酸鐵鋰電池和鈉離子電池的能量 密度、循環性能、倍率性能、安全性、低溫性能和快充性能之后,發現鈉離子電 池在低速電動車、二輪車、儲能和啟停等應用場景呈現出廣闊的發展前景。根據 EVTank 測算,在 100%滲透的情況下,理論上鈉離子電池在 2026 年的市場空間可 達到 369.5GWh,其理論市場規模或將達到 1500 億元。假設 2023-2025 年鈉電池 替代比例分別為 3%、12%、24%,按照每 GWh 消耗 1100 噸硬碳測算,到 2025 年預 計硬碳負極材料的需求將達到 76560 噸。

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3. 行業公司齊發力,路線選擇以生物質為主

3.1 佰思格:國內**量產硬碳企業,技術優勢明顯

聚焦硬碳材料,具備強大的自主研發和創新能力。佰思格是一家由鋰電行業資深 專家、博士團隊于2018 年創立的***高新技術企業。主營產品包括硬炭負極 材料、軟炭材料和石墨/硬炭復合材料,具有超快充、超長壽命、超高安全及優 異的低溫特性。公司是國內**量產鈉(鋰)電池硬碳負極材料的企業,致力于 鈉電/鋰電“卡脖子”核心材料的國產化、產業化應用以及保障產業鏈安全。公 司擁有 46 項知識產權、17 項發明專利,也是我國**發布的鈉離子電池行業標 準《鈉離子蓄電池通用規范》標準的參與編制單位中**一家負極材料生產商和 技術提供商。

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產品性能處行業領先水平,且售價僅為進口產品的 50%。目前公司鈉電硬碳產品 主要有 3 種,分別是 NHC-2、PHC-1 和 NHC-330,公司硬碳采用葡萄糖、糖、淀 粉、纖維素、木質素、木屑、竹屑、椰子殼或堅果殼等生物質材料作為前驅體。2020 年公司能夠實現量產的鈉電池負極材料,能量密度為 290-300mAh/g。具有 相似性能的日本產品售價達 20 萬元/噸以上,而佰思格的售價僅為 6 萬元/噸左 右。佰思格今年正在研發和生產的產品 NHC-330 的比容量比日本材料高 20%左右。另外,公司預計在 2023-2024 年發布新產品 NHC360,比容量可以達到 360-380mAh/g。佰思格硬碳產品在壓實密度和比表面積控制上均處于行業領先水平, 首次效率可以達到 92%左右。

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多次獲得產業資本的青睞,為硬碳產業化布局提供助力。2021 年鵬輝能源參股 佰思格,以加速布局其鈉電產業鏈;2022 年獲蜂巢能源戰略投資,達晨 A 輪投 資,恒信華業、雄韜股份 A+輪投資,為公司進一步高效研發高性能硬碳產品提 供了很大的助力。

目前已完成硬碳負極材料設備安裝和生產,未來將按規劃擴大產能。截止 2022 年 11 月,公司已經完成 2000 噸鈉離子電池硬碳負極材料的設備安裝和生產,完 成了園區建設規劃和設備采購,預計 2023 年初啟動建設。公司計劃到 2023H1 將 產能擴大至 1 萬噸左右,2025 年進一步把產能擴大至 5 萬噸,對應電池產能 20- 30GWh。

3.2 杉杉股份:以生物質、樹脂基路線為主,廣泛布局專利

公司負極材料盈利能力強且表現穩健,研發投入呈逐年上升趨勢。杉杉股份是 國內的負極材料龍頭,成立于 1992 年,1999 年公司進軍鋰電負極材料產業,擁 有二十多年負極材料研發積淀和持續創新迭代能力。2021 年杉杉股份營業收入 為 206.99 億元,同比增長 151.9%。硅基負極方面,公司突破硅基負極材料前驅 體批量化合成核心技術,已經完成了第二代硅氧產品的量產,正在進行第三代硅 氧產品和新一代硅碳產品的研發。2017-2021 年間,杉杉股份研發投入整體呈現 上升趨勢。2020 年受疫情爆發影響,研發投入出現小幅下降,較 2019 年減少 0.19 億元,2021 年受營業收入的影響,杉杉股份研發投入增長較快,大幅上漲 至 7.16 億元。隨著研發投入的增長,為硬碳負極材料的研究提供有力支持,硬 碳產品有望迎來規模放量。

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杉杉股份在硅基負極項目上領跑行業,推動硅基負極產品不斷升級。目前杉杉 硅基材料已經形成多代產品,并打入全球電動工具龍頭材料體系,未來供貨量將 持續提升,新型硅碳材料也在合作開發中。隨著寧波硅基 4 萬噸一體化基地的落 地投產,杉杉在硅基領域的優勢進一步夯實,有望成為硅基負極材料龍頭。為加快國產替代,杉杉股份率先探索硬碳產業化之路。杉杉股份在硬碳研發上起 步較早,公司在不斷夯實鋰電負極的規模優勢和技術領先基礎上,同時也在行業 內率先發力鈉電負極。公司自 2012 年以來不斷完善專利布局,目前已擁有硬碳 及鈉電池相關專利逾 40 項,授權發明 14 項,專利數量在國內領先。通過持續投 入高額研發費用,匹配專業研發人才,定制專有設備,杉杉打造了硬碳核心研發 平臺,具備強大的自主研發和創新能力。

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公司在硬碳負極項目上具有先發優勢,性能優異,2023 年量產規模將達千噸級。在硬碳前驅體原材料選擇方面,公司多方位布局,原材料來源廣泛,以生物質、 樹脂基路線為主。同時,杉杉股份專注工序簡潔及品質提升,擁有獨特的硬碳技 術工藝,通過精準調控材料的微孔結構,提高材料有效容量指標。同時依靠交聯 工藝調控技術,提高硬碳材料性價比,實現產品競爭力大幅領先。目前**研發 的硬碳產品容量已達 350mAh/g,并且可以根據客戶需求迅速上量,預計 2023 年 量產規模至千噸級,在行業內處于領先水平。

公司硬碳產品獲頭部電芯廠認可,已實現批量銷售。公司自主研發的硬炭材料率 先實現自有化、產業化,達到噸級銷量。憑借高壓實密度、高容量的優勢,獲得 國內頭部電芯客戶認證,同步送樣海外客戶。未來兩年,杉杉股份硬炭材料產能 將取得關鍵性突破。

3.3 圣泉集團:打造生物質精煉一體化產業集群,*大程度降本

生物質硬碳負極的布局與公司主營業務協同優勢明顯。圣泉集團是以合成樹脂及 復合材料、生物質化工材料及相關產品的研發、生產、銷售為主營業務的高新技 術企業,其中酚醛樹脂、呋喃樹脂產銷量規模位居國內**、世界前列。公司圍 繞著核心產品,打造出了包括生物質化工原料(纖維素、半纖維素、木質素等)、 合成樹脂(呋喃樹脂、 酚醛樹脂、冷芯盒樹脂、環氧樹脂等)、復合材料(酚醛樹 脂泡沫板、輕芯鋼等)在內的較為完整齊全的產業鏈,能夠充分利用產業鏈優勢 協同進行技術研發和市場拓展。

 

布局年產 10 萬噸生物質硬碳負極項目,打造生物質精煉一體化產業集群。該項 目以濟南基地 30 萬噸生物質秸稈與大慶綠色技術有限公司的 12 萬噸硬碳前驅體 生物質為原料,建成后,將形成 10 萬噸/年生物基硬碳負極材料,以及年產 15/1/4/1.2/1.05/0.5 萬噸纖維素漿/納米纖維素漿/納米纖維素/糠醛/乙酸/鉀 鹽等產能。公司打造生物質精煉一體化產業集群,依托秸稈項目副產的生物炭作 為硬碳制備的原材料,具備明顯成本優勢,有望提升產品競爭力,打開長期成長 空間。公司依托自主研發的生物質溶劑化秸稈精煉技術制備生物炭和硬碳。技術流程 為,將秸稈中碳含量高且易于成碳的多糖類組分有選擇性地溶解到生物質溶劑中, 在生物質溶劑中發生分子間及分子內重排,進行樹脂化,形成生物基樹脂,再加 工成優質生物炭。進一步地,該生物碳經過煅燒等工序處理,即可獲得電化學性 能和壓實密度較為理想的優質硬碳電池負極材料。

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秸稈精煉技術工藝路線成熟,所產出的產品性能優異,成本低,環境友好。圣 泉生產的硬碳其前驅體是樹脂化的生物質,即公司所制備的“生物炭”,生物炭 中無定形碳的含量在 40%-45%,而酚醛樹脂的含碳量是 30-40%,木材的含碳量大 概只有 20%,因此優勢明顯。與直接將生物質如淀粉、蔗糖、椰殼、杏殼、木材、 秸稈等天然植物作為原料生產硬碳的工藝相比,圣泉的前驅體多一步樹脂化的流 程。此種方法不受季節、氣候、地域的影響,因此更為穩定,硬碳質量也更好。圣泉不只銷售硬碳,同時也將生物炭作為前驅體銷售給其他硬碳制造商,如貝特瑞、佰思格等。

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領先的技術優勢幫助公司實現硬碳材料的低成本生產,公司正在加緊布局建設 產能。目前圣泉集團硬碳出貨量已達百公斤級,生物炭出貨更多。預計到 2023 年 3 月,大慶工廠滿產,公司計劃在 2023H1 建設 1 萬噸產量的硬碳裝置。據悉, 公司目前也在研究如何進行酚醛樹脂和生物炭的摻雜,以進一步提升硬碳性能。對產品性能的期待將不斷推動技術的更新迭代。

3.4 元力股份:深耕活性炭行業,積極布局硬碳負極

擴張活性炭主業,拓展硅、碳產業,積極布局儲能行業。自 1999 年成立以來, 元力股份深耕活性炭行業,已成為國內木質活性炭領域龍頭企業。公司聚焦于活 性炭、硅酸鈉、硅膠等化工產品的研發、生產與銷售,主導產品為木質活性炭, 主要應用領域包括糖用、味精用、食品用、化工用、藥用、針劑、水處理、超級 電容、空氣凈化、揮發性有機物(VOCs)回收利用等。木質活性炭符合環保理念, 受到政策支持。2021 年公司活性炭產量 113,072 噸,銷量 114,063 噸,營業收入 10.49 億元,同比增長 21%。公司正穩步擴張活性炭主業,通過實施“年產 6.5 萬噸南平工業園區活性炭募投項目”和“年產 10 萬噸環保用活性炭可轉債項目” 陸續擴大產能,優化產品結構,將競爭優勢規模化轉化、擴大。

在鞏固活性炭領域龍頭地位的同時,元力股份也在積極拓展硅、碳產業業務。2015 年,公司新增控股子公司元禾化工主營硅酸鈉的生產與銷售,生產的硅酸 鈉絕大部分用于生產沉淀法白炭黑。2021 年,硅膠硅酸鈉營業收入 4 億元,同比 增長 53.3%;2021 年 9 月 28 日,公司完成受讓三元循環 100%股權的工商變更登 記,自 2021 年 10 月 1日列入公司合并報表,負責公司硅膠業務的開展,2021 年 硅膠營業收入已達到 1.36 億元。另一方面,公司通過研發和生產硬碳和超級電容炭積極布局儲能領域。公司快 速擴充超級電容炭生產線,超級電容炭募投擴產項目正在正常實施中,第二條年 產 150 噸超級電容炭生產線于 2021 年投入運行;2022 年,公司開啟鈉電負極硬 碳研發,主要采取毛竹和椰子殼生物基路線,目前已進行到初試階段并向客戶送 樣。

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活性炭制備工藝與硬碳制備前段工序重合度較高,生物基硬碳負極產品可借鑒 公司生物基材料處理經驗。硬碳負極材料制作工藝通常包括前期改性處理、裂解 和縮聚和后期改性處理等過程。公司主要采用化學法生產工藝、物理法化學法一 體化生產工藝生產各專用木質活性炭,主要工序為(1)原料預處理;(2)炭化、 活化階段;(3)成品處理,與硬碳前段工序高度重合。

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在生產木質活性炭的過程中,公司積累了多項生物基材料處理創新技術,包括 木質功能性吸附材料制造關鍵技術和生物質連續炭化制造關鍵技術,并對應申請 多項專利。目前公司硬碳負極產品主要采用毛竹和椰子殼生物質基路線,其研發和生產過程可利用木質活性炭生產設備及技術有效降低成本,充分發揮元力股份 的技術和資源優勢。

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毛竹作為硬碳負極產品原材料具有顯著優勢,目前公司主要采用毛竹和椰子殼作 為硬碳前驅體材料,相較于椰子殼,毛竹具有以下優勢:

1)所在地原料較為豐 富,具備區位優勢,可就近取材,降低成本:公司所在地南平市是中國*大的竹 產業基地,國家林業和草原局評出的“中國十大竹子之鄉”(縣級市)中,南平 市占了 2 家(南平市順昌縣、南平市建甌市)。硬碳負極生產所需椰子殼依賴東 南亞進口,國內椰殼產量難以支持硬碳負極生產,長期來看缺乏可持續性。

2) 公司環保用木質活性炭的主要原材料是竹材下腳料等“林產三剩物”竹屑,已具 備毛竹處理技術,針對以竹屑/竹刨花為主要材料,研發了木質功能性吸附材料 制造關鍵技術、生物質連續炭化制造關鍵技術等核心技術,實現了竹基顆粒活性 炭的大規模自動化生產。

3)竹基材料符合“碳中和”的政策導向,屬于國家重 點鼓勵的發展方向。竹材屬于可再生資源,生長周期快,一般 3-5 年即可成材, 屬于可持續采伐資源。竹屑主要是竹家具、竹板材生產過程中剩余的“下腳料”, 本來要被丟棄掉或作為竹柴燒掉,現在用于生產硬碳負極不會新增碳排放。若未 來元力股份采用毛竹作為硬碳負極前驅體,相比其它硬碳負極企業具備區位優勢和生物質材料處理技術優勢,能夠充分利用一體化降低成本。

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