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石墨烯粉体 – 动力电池导电剂的消费升级

更新日期:2017-07-18 14:07:57

一、新能源汽车顶层设计完毕,动力电池需求迅速增长

据中国石油集团经济技术研究院发布《2016年国内外油气行业发展报告》中指出,2016年我国石油对外依存度高达65.5%,达到历史峰值,这一指标在2020年预计将突破70%。而据美国能源信息署(EIA)公布的数据,2014年,美国石油液体能源的对外依存度已下降到26%,在2005年,美国的石油对外依存度还高达60%。一个国家的石油对外依存度的高低对其在国际政治和经济方面所面临的形势有着微秒和至关重要的影响。

与此同时,中国的汽车工业发展已经到了不能依赖“用资本换技术”的模式。需要走出一条能够缩短与西方汽车工业差距的全新道路。我国发展新能源汽车不但是在造车工业上使自己能够“弯道超车”,并且还意在控制石油对外依存度的作用,所以发展新能源汽车具有重要的政治及经济战略的双重意义。

2012年,国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》,其中规划,到2020年,纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力要达到200万辆、累计产销量要超过500万辆。

图1、2016年及2020年我国新能源汽车产量与保有量及预测

按照2016年,全年51万辆的产量,和年末100万辆的保有量,十三五期间产量年均增长率至少达到30%以上,而要保证2020年末的保有量达到500万辆的话,对应当年产量需达145万辆。

22014-2020年新能源汽车产量及占汽车总产量比重趋势预测

如果年产量按每年40%的增幅持续增长,到2020年,全国新能源汽车保有量约为570万辆,当年总产量为180万辆,占国内汽车总产量(传统汽车+新能源汽车)的5.2%。而新能源全产业链总产值将突破10万亿元,形成规模经济。

二、动力电池风头正劲,石墨烯导电剂发展遇良机

2016年我国新能源汽车总产量51万辆,动力电池需求310亿瓦时。2017年的总产量预计能达到70余万辆,届时动力电池需求将增长至430亿瓦时。

图3、国内动力锂电池企业2016年底产能(亿瓦时)

图4、新能源汽车成本结构

而从新能源汽车的成本结构来看,动力锂离子电池系统的成本占比达到了约45%左右,高于其他任何单相。而锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液组成。

5、锂离子电池主要结构成分

其中,正极材料主要为放电时的电化学反应提供锂离子,而负极材料主要与正极材料构成回路,放电时接受锂离子,充电时放出锂离子,并传输电子完成充放电循环。由于电极材料本身的导电性不足以高到可以单独支持充放电循环,所以为了提高电池的冲放电性能,需要在电极制作时加入一定量的导电物质,以提高电子迁移率,继而有效降低电极的接触电阻,最终起到提升充分电效率的效果。而这样的物质,称作为“导电剂”。导电剂正式定义为:

导电剂是为了保证电极具有良好的充放电性能,在极片制作时通常加入一定量的导电物质,在活性物质之间、活性物质与集流体之间起到收集微电流的作用,以减小电极的接触电阻加速电子的移动速率,同时也能有效地提高锂离子在电极材料中的迁移速率,从而提高电极的充放电效率。

石墨烯应用于动力锂离子电池主要有三个领域:

一、 作为正负电极的导电添加剂,以提升充电效率;

二、 制成石墨烯复合电极材料,以够提升电池容量;

三、 制成功能涂层,降低电池内阻,提升电池寿命。

目前石墨烯电池行业整体产业化程度不高,而在所有应用中,石墨烯粉体作为导电剂添加至锂电池电极,以提升电极导电性能继而有效改善电池充放电效率及性能,已经显示出超预期的增长,导电剂市场规模放量迅速。

三、石墨烯粉体作为锂电池导电剂的优势及展望

提升电极的电导率是添加导电剂的最终目的,而影响这个目的的因素除了包括导电剂的电导率以为,还包括其颗粒大小、分散性能和比表面积等,以评判其能否带来均衡的导电效果。

表1、锂离子电池导电剂性能对比

石墨烯粉体本身不能作为锂电池导电剂,其必须需要添加水或NMP及分散剂,制程石墨烯 – 水浆料或NMP浆料,配制完成后的水浆料及NMP浆料型导电剂后才可添加于锂电池正负电极中。在水浆料和NMP浆料型导电剂中, 石墨烯含量一般为5.0±0.1 wt%, 分散剂含量为0-0.5wt%。

根据石墨烯产业联盟的统计数据, 2015 年石墨烯导电剂的价格与碳纳米管导电剂价格相当,为 230 美元/千克,但其价格下降趋势明显,2017的平均价格将降至180美元/千克的水平。到2020年,石墨烯导电剂价格更是有望下降至 113美元/千克,而同期碳纳米管价格依然维持在 200 美元/千克左右。石墨烯导电剂的成本优势将届时显现。

图6、石墨烯、碳纳米管和碳黑导电剂价格变化(单位:美元/千克)

目前,我国石墨烯企业已有上百家,拥有石墨烯粉体生产专利的企业占比较高于石墨烯薄膜企业,有较多的企业拥有规模化生产石墨烯粉体的技术。粉体产品主要针对电池导电剂和功能涂层。而作为电池电极的石墨烯复合材料,由于其技术难度大,工艺壁垒高,目前生产企业占比较少。就目前已有的石墨烯粉体企业的规模而言,主要以中小型企业为主,且主要产品面向对于石墨烯产品质量要求不甚很高的中低端领域。

目前国内已经从事石墨烯粉体材料量产的公司主要有中泰化学(厦门凯纳)、锦富技术、第六元素、华丽家族(宁波墨西)、东旭光电(碳源汇谷)、金路集团(德阳烯碳)、道氏技术(青岛昊鑫)和东莞鸿纳等。

(信息来源:国金证券)

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