一、碳纳米管综述
碳纳米管又称巴基管，英文简称CNT，是由单层或多层的石墨烯层围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成一维量子材料。其最早在1991年由饭岛澄男发现。碳纳米管的长径比、碳纯度作为影响导电性的两个核心指标，直接决定了碳纳米管的产品性能，碳纳米管管径越细，长度越长，导电性能越好。
CNT具有突出的多方面性能：1）力学性能：具有极高的弹性和韧性，杨氏模量是钢的近6倍、抗拉强度是钢的100倍，也是目前自然界中比强度最高的材料。2）电学性能：导电性显著优于石墨烯、炭黑等材料，且管径越细、长度越长，导电性越好。3）导热性能：极高的导热率，室温下导热率是金刚石的2倍。轴向导热性能优、径向导热较差，可合成各向异性的导热材料。4）化学稳定性：具有耐酸性、耐碱性，在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。5）嵌锂性能优异：碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。
部分碳材料导电性能对比（单位：Ω）
资料来源：天奈科技招股说明书，华经产业研究院整理
在商业用途中，碳纳米管根据石墨烯层数差异可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管优势体现为：1）结构简单、化学性质稳定：多壁碳纳米管形成过程中层与层之间容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，而单壁碳纳米管结构简单、均匀一致性好，且缺陷少、化学性质稳定。2）添加量少、导电性优：由于单壁碳纳米管长度-直径比较高，其能够在极低添加量下形成三维导电网络。同时，单壁碳纳米管有一层碳原子，并根据空间的螺旋特性可表现出金属或半导体性能。此外，其强大的碳碳键使得其能够有更高的载流量，电流密度能够高于铜等金属1000倍以上。3）弹性好、机械性能高：单壁碳纳米管具有更强的柔韧性，能够更好的弯曲、扭曲或扭结，其弹性模量和抗拉强度显著优于多壁碳纳米管。4）导热性好：单壁碳纳米管的单位质量导热系数高于多壁碳纳米管，同时二者都能够承受750℃以上的高温。5）制成品颜色多样：多壁碳纳米管通过提高添加量来改善机械性能和导电性，这会影响产品表面质量和颜色，如其只能生产黑色材料。由于单壁碳纳米管添加量普遍在0.01-0.1%，因而能够生产任何颜色以及透明导电材料。
单壁碳纳米管与多壁碳纳米管对比
资料来源：公开资料整理
CNT主要制备方法为化学气相沉积法（CVD），该方法是目前业界最主流的制备方法。其是将烃类或含碳氧化物引入到含有催化剂的高温管式炉中，通过催化裂解方式制备碳纳米管，关键环节是碳纳米管在催化剂表面进行生长的过程。具体的反应过程包括碳源化合物在催化剂表面分解，碳原子通过表面扩散或者体相扩散进入催化剂内部，最后碳纳米管从催化剂颗粒中析出。该方法操作简单、成本低、过程可控性强。
碳纳米管生产工艺
资料来源：公开资料整理
二、碳纳米管产业链
从碳纳米管产业链来看，产业链上游是石油化工行业，主要原材料是丙烯、液氮；中游碳纳米管生产包括导电浆料和导电母粒；下游碳纳米管导电浆料主要应用于锂电池服务新能源汽车产业和3C数码产业，碳纳米管填充导电塑料主要应用于服务电力基础设施、半导体产业等。
碳纳米管产业链
资料来源：天奈科技招股说明书，华经产业研究院整理
根据天奈科技2020年成本构成情况，碳纳米管浆料的原材料成本占比高达70%，原材料主要为NMP、丙烯、分散剂、液氮等，其中NMP占比高达89%。
2020年碳纳米管成本及原材料成本结构
资料来源：天奈科技公告，华经产业研究院整理
相关报告：华经产业研究院发布的《2022-2027年中国碳纳米管行业市场运行现状及投资战略研究报告》
三、碳纳米管行业现状分析
1、全球市场
从市场需求量情况来看，全球碳纳米管粉体/浆料市场需求持续提升。据GGII数据，2021年全球碳纳米管粉体需求量为0.4万吨，碳纳米管浆料需求量为9万吨。预计到2025年全球市场需求量将分别达到2.4万吨/59万吨。
2019-2025年全球碳纳米管市场需求量情况
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从市场规模来看，2021年全球碳纳米管粉体市场规模为9亿元，碳纳米管浆料市场规模为35亿元。预计2025年市场规模将分别达到60/224亿元。
2019-2025年全球碳纳米管市场规模情况
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从下游需求结构来看，目前，商业化且大规模应用的领域主要集中于锂电池导电剂和导电塑料。据测算，目前超过75%的需求来自锂电池导电剂领域。
2021年碳纳米管下游需求结构占比情况
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
下游锂电池市场主要包括磷酸铁锂电池和三元电池。从全球磷酸铁锂市场来看，CNT能够全方位提高磷酸铁锂电池性能，特别是增强正极和集流体表面导电性，减少电子在电极局部的极化，加快电子迁移，改善倍率性能。磷酸铁锂电池添加的CNT导电剂比例更高，伴随磷酸铁锂装机占比提升，CNT出货有望快速增长。据GGII数据，2021年全球磷酸铁锂电池碳纳米管浆料需求量为5万吨，市场规模达到18亿元。
2019-2025年全球磷酸铁锂碳纳米管浆料市场现状
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从全球三元电池市场来看，2021年全球三元电池碳纳米管浆料需求量为3.2万吨，市场规模达到13亿元。
2019-2025年全球三元电池碳纳米管浆料市场现状
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从全球碳纳米管粉体市场来看，2021年全球单臂碳纳米管粉体需求量为11吨，市场规模为1.1亿元。
2019-2025年全球单臂碳纳米管粉体市场现状
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
2、中国市场
从给国内市场来看，在高能量密度锂电需求的带动下，碳纳米管导电浆料出货量将保持高增长趋势，到2025年有望突破32万吨。根据GGII，2021年我国碳纳米管导电浆料出货量为7.8万吨，同比增长62.5%，2016-2021年出货量年复合增长率为41%。预计未来五年中国碳纳米管导电浆料市场销量将保持高增长的趋势，到2025年，中国碳纳米管导电浆料出货量将突破32万吨。
2016-2025年中国碳纳米管导电浆料出货量及增速
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从国内导电剂结构情况来看，2021年中国新型导电剂浆料市场总规模达到9.8万吨，同比2020年增长61.5%；其中碳纳米管导电浆料市场规模为7.8万吨，占比79.6%。而在动力电池导电剂结构中，由于炭黑价格便宜，市场应用目前最为广泛，碳纳米管占比为27%。
2021年中国动力电池导电剂占比情况
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
四、碳纳米管行业竞争格局分析
1、市场集中度
从市场集中度情况来看，碳纳米管行业2018-2020年，CR3/CR5分别从68.0%/87.7%提升至75.7%/89.1%，行业持续集中。横向对比来看，碳纳米管行业集中度显著高于四大锂电主材环节。
2020年中国锂电材料行业CR3和CR5集中度
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
从碳纳米管行业竞争格局来看，天奈科技在碳纳米管行业地位稳固。根据GGII数据，2021年国内碳纳米管导电浆体行业中天奈科技出货量多年蝉联第一，市占率达到43.4%，主要是供应高端锂电池市场，与20年32.3%市场份额相比，占比大幅提高，；位居第二的集越纳米2020年市占率为23.8%下降至2021年的15.3%；卡博特位居第三，2021年市场占比为20%，大幅下降。海外企业中卡博特收购三顺纳米切入该领域，LG化学依托自身化工优势自研。
2020-2021年中国碳纳米管导电浆料市场竞争格局
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
2、设备及专利情况
碳纳米管生产中主要使用的设备有超高温炉、碳化反应器、石墨化炉、砂磨机等。碳纳米管体积密度小、比表面积大，生产中易出现缠绕，连续化生产难度高。行业内企业普遍会对流化床反应器、纯化和分散设备进行改造、甚至自主设计，以此提高生产效率和连续性。从碳纳米管及其设备专利情况来看，截止2022年1月底天奈科技共拥有59项碳纳米管相关专利，其中设备改进相关专利为33项，占比达到56%。
碳纳米管企业专利数量及其设备专利占比
资料来源：天奈科技公告，华经产业研究院整理
3、重点企业介绍
目前碳纳米管导电浆料生产企业主要集中在国内，国外则主要掌握性价比更高的炭黑类导电剂，但由于碳纳米管导电性能优异以及成本性价比提速，国外企业也开始加速布局CNT。具体企业介绍概览情况如下：
碳纳米管主要生产企业情况
资料来源：公司公开报告，华经产业研究院整理
五、碳纳米管行业未来发展趋势
1、动力电池市场快速增长，成为导电剂市场增长的主要驱动力
据工信部数据，2021年中国锂电池市场受动力电池以及储能电池需求增长带动，出货量达到327GWh，同比增长129.7%。其中，储能电池出货48GWh，同比增长196%；动力锂电池出货量为226GWh，同比增长183%。
2021年全球新能源汽车销量再创新高，达到675万辆，同比增长108%。其中，中国新能源汽车市场持续突破，产销同比增长160%以上，销量达352万辆。2021年中国新能源汽车渗透率为13.4%，增长超预期，预计将继续保持快速增长态势。预计2022年，中国动力锂电池出货量将达到450GWh，从而带动上游材料的应用需求。
2016-2022年中国动力锂电池出货量及增速情况
资料来源：工信部，华经产业研究院整理
2、动力电池领域对大倍率充放电需求提升，带动导电剂应用增多
受益于动力电池快充等性能升级需求，带动整个锂电材料体系的升级要求，例如高镍、三元和硅碳负极的普及使用，未来以CNT为代表的新型导电剂性价比和渗透率将逐步提升。中国电力企业联合会表示，大功率充电技术目标是近期满足10分钟至15分钟实现充电80%，未来功率将达到900kW。缩减充电时间是电动产品提升便捷性的必要因素,是动力和数码电池领域未来发展方向，目前数码电池倍率性能达到1.5C，动力电池倍率性能达到4-5C，倍率性能的提升推动碳纳米管导电剂用量的提升。
3、电池向高镍化发展以及硅碳使用量的提升，碳纳米管导电剂渗透率提高
2021年中国动力电池市场仍以炭黑为主，以碳纳米管为代表的新型导电剂市场份额快速提升，头部动力电池企业在碳纳米管产品应用领域渗透率正在快速提升。据高工产研锂电研究所GGII预计，到2025年，碳纳米管导电浆料在动力电池领域占比将达61%，碳纳米管导电浆料渗透率提升，主要受动力电池高镍化以及硅碳使用量提升带动，加之市场对快充技术的推广与应用的加快，进一步有助于提升碳纳米管产品的使用。
2025年中国动力电池导电剂占比情况
资料来源：GGII，华经产业研究院整理
华经产业研究院通过对中国碳纳米管行业海量数据的搜集、整理、加工，全面剖析行业总体市场容量、竞争格局、市场供需现状及行业重点企业的产销运营分析，并根据行业发展轨迹及影响因素，对行业未来的发展趋势进行预测。帮助企业了解行业当前发展动向，把握市场机会，做出正确投资决策。更多详细内容，请关注华经产业研究院出版的《2022-2027年中国碳纳米管行业市场发展现状及投资前景展望报告》。
