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1、炭基储能材料行业发展趋势一、 多孔碳应用前景广阔多孔碳是指具有不同尺寸孔结构的碳材料。多孔碳是一种新型多孔材料，具有孔结构可调、易功能化、比表面积大、导电性优、稳定性好等特点。多孔碳特点突出，在造纸、陶瓷、骨修复、污水处理、能量储存、药物缓释、电化学、分子吸附等领域具有广阔应用前景。多孔碳孔径大小可变，根据孔径不同，多孔碳可分为微孔碳、中孔碳以及大孔碳三种，在类型上，多孔碳又分为活性炭、碳分子筛、活性炭纤维、多孔纳米碳、分级多孔碳等品种。多孔碳制备方法较多，包括模板法、激光烧蚀法、活化法、凝胶结晶法、盐析法、共沉淀法、乳状液膜法等。多孔碳类型较多，在消费升级下，具有绿色、高效、安全、环保等特点
2、的高端多孔碳发展空间更大。由于应用领域广泛，近年来，多孔碳市场销量保持增长趋势，2021年，全球多孔碳市场销量达到200万吨以上，同比增长30%，市场规模约为424亿美元，预计2026年，全球多孔碳市场规模将达到556亿美元。早期全球多孔碳产能主要集中在发达国家，如荷兰、美国、日本等地区，后随着环保监管日益严格、人工成本上涨，多孔碳产能逐渐向东南亚、印度、中国等地区转移。目前我国已成为多孔碳生产大国，产能占比超过四成，其中活性炭生产规模和出口规模位居全球首位。在全球多孔碳市场上，日本可乐丽、美国卡博特、大阪燃气化学等海外企业具有先发、技术优势，占据高端市场主要份额。我国虽是多孔碳生产大国，但企
3、业规模普遍较小、生产设备自动化水平低、生产工艺较为落后，行业在技术、创新能力、产品质量等方面与发达国家相比仍存在较大差距。目前，国内多孔碳生产企业有神华宁夏煤业、山西新华化工、福建鑫森炭业、江苏竹溪活性炭等。多孔碳种类多、特点突出，应用领域广泛，在消费升级背景下，多孔碳市场发展前景较好。多孔碳是国内外研究热点，国外企业起步早、技术先进，占据高端市场主要份额，我国是多孔碳生产大国，但企业规模普遍较小、产品性能较低，未来我国多孔碳产业结构仍需优化，环保、绿色、高效将成为其重要升级方向。二、 多孔炭下游细分领域的市场规模（一）活性炭市场规模全球活性炭的传统生产大国包括中国，美国，日本及荷兰等国家，自
4、从20世纪90年代起，北美、西欧等发达国家受原材料制约及生产成本不断上升的影响，其活性炭产业逐步向发展中国家转移。美国、日本和西欧等发达国家的活性炭生产逐步减少的同时，其国内市场需求仍稳步增长，而其国内生产的活性炭满足不了各种需求，需大量进口来进行补充。根据QYR（恒州博智）的统计及预测，2021年全球活性炭市场销售额达到了33亿美元，预计2028年将达到49亿美元，年复合增长率（CAGR）为58%（2022-2028）。中国活性炭工业生产起步于20世纪50年代，改革开放后开始高速发展，现已经拥有基本独立和完整的工业体系。目前，我国已经成为世界上最大的活性炭生产国和出口国。2021年我国活性炭
5、整体产量为982万吨。近年来，随着中国经济的快速增长和对环境保护的日益重视，活性炭应用领域不断扩大，需求增长迅速。特别是中国关于环境保护的相关规则颁布后，水处理、机动车、溶剂和废气回收以及空气净化用的活性炭市场需求剧增，活性炭工业成为我国增长最快的工业部门之一。2019年我国活性炭市场规模为7924亿元，同比增长1092%。其中，木质活性炭市场规模3626亿元，煤质活性炭市场规模4298亿元。经过多年的发展，活性炭已经逐渐从工业用吸附剂转变为一种用途广泛的基础性材料。今后随着世界经济不断发展、人们生活水平进一步提高以及各国对食品医药安全标准、环境保护标准的日趋严格化，活性炭的传统应用市场将随之
6、稳步扩大，预计2025年国内活性炭市场需求将达到93万吨左右。根据功能性专用活性炭的用途分类，功能性专用活性炭下游市场可分为VOCs治理及回收用活性炭、水处理活性炭等细分市场。VOCs是指挥发性有机物，其普遍用于石油化工、包装印刷、家居制造、汽车制造、电子等行业产品的生产。由于VOCs具有很强的强挥发性，实际使用过程中极易造成气化挥发和空气污染，其浓度过高时会严重影响人体健康，容易造成急性中毒、头痛、头晕、咳嗽、恶心、呕吐、昏迷等症状。若长期居住在挥发性有机物污染的环境中，可引起慢性中毒，损害肝脏和神经系统。近年来，随着我国工业生产的不断发展，VOCs已经成为我国大气污染的重要污染源之一，引起
7、了国家及各地方政府的高度重视，已相继出台政策，对VOCs污染进行综合整治。环保产业作为我国战略性新兴产业，一直受到国家政策的大力支持。随着VOCs治理相关法律法规、行业政策、技术标准等的不断出台，VOCs治理行业的行业标准更加清晰，VOCs治理技术和管理理念快速发展，VOCs治理行业的发展更加健康稳健。此外，由于环保标准日趋严苛，需求企业对于VOCs治理技术、设备、材料的需求增加，VOCs治理市场需求被进一步释放。根据头豹研究院的数据，我国VOCs治理的市场规模预计在2023年达到6666亿元。活性炭吸附法具有成本低，适用性强，分离速度快的特点，在VOCs治理回收中占据主导地位。根据华南理工大
8、学测算，2020年中国工业源VOCs排放量约为1，3575万吨。假设VOCs处理量占排放量的60%，在VOCs处理方法中，活性炭吸附法占比为90%，处理1吨VOCs所需的活性炭约为20kg，据此测算2020年我国VOCs领域活性炭市场规模约为15万吨。我国水资源短缺和水资源污染问题依然严峻。根据国家统计局发布的数据，截至2021年底，我国水资源总量29，520亿立方米，人均2，0901立方米，约为世界平均水平的四分之一，是联合国13个贫水国之一，特别是北方和部分东部地区，人均水资源量严重偏低。随着我国经济的不断发展和人们生活水平的日益提高，生活和工业污水的排放量大幅增加，国家出台了一系列污水治
9、理相关的行业政策，为环保用活性炭带来广阔的发展空间。得益于国家宏观政策的大力支持、资本投入力度加大、技术工艺的不断创新的全方位支持，我国污水处理行业得以快速发展，市场容量由2014年的1，5722亿元增长至2021年的4，2622亿元，年均复合增长率为147%；未来随着污水治理出水水质的提高、污水资源化利用的广度和深度的不断加强，污水治理需求进一步释放，行业容量有望持续稳定增长，预计2023年的市场容量可达到5，8195亿元，2018-2023年的年均复合增长率达到164%。根据住建部2021年城乡建设统计年鉴，截至2021年全国污水处理能力208亿立方米/日，污水年排放量头6250亿立方米，
10、工业废水占比约为25%，城镇生活废水占比约为75%。生态环境部2021中国生态环境状况公报的数据显示，2021年底我国污水处理总量为5846亿立方米，污水处理率为975%。污水处理主要有生物法、物理法、化学法三种方法，其中以活性炭吸附为代表的物理法占主要地位。根据测算，城市污水三级处理时，处理1吨废水排出003kg饱和炭；工业废水三级处理时，处理1吨废水排出017kg饱和炭。假设活性炭处理占污水处理总量的70%，同时考虑活性炭的可再生能力，经测算2021年污水处理领域活性炭需求量超过25万吨。根据头豹研究院预测2021-2023年中国污水处理行业CAGR为169%，预计污水处理将带动环保用活性
11、炭需求保持较高增速。（二）炭催化剂及催化剂载体市场规模根据市场研究机构Ceresana发表的研究成果显示，到2021年催化剂的总市场价值将增加到220亿美元以上，其中中国市场的增长率较高。据新思界产业研究中心发布的2018-2023年贵金属催化剂行业市场深度调研及投资前景预测分析报告，预计2023年，中国贵金属催化剂行业的需求规模将扩大到2056亿元。贵金属催化剂的应用几乎涉及到各行各业，是国民经济发展的重要基础。在石油、化学、医药等工业中的氢化还原、氧化脱氢、催化重整、氢化裂解、加氢脱硫、还原胺化、调聚、偶联、歧化、扩环、环化、羰基化、甲酰化、脱氯以及不对称合成等反应中，贵金属均是优良的催化
12、剂；在环保领域，贵金属催化剂被广泛应用于汽车尾气净化、有机物催化燃烧、CO、NO氧化等；在新能源方面，贵金属催化剂是新型燃料电池开发中最关键的核心材料。然而，贵金属的低地壳丰度和高昂价格阻碍了其广泛的商业化应用。因此，大量的科研工作聚焦于开发高效的非贵金属和无金属碳基电催化剂，以此来取代或减少对贵金属的需求。与金属基催化剂相比，无金属炭基电催化剂拥有许多优势，如地壳丰度高、价格低廉、具有分子水平的结构可控性，以及多种催化活性位点的兼容性。不仅如此，通过对零维到三维碳结构进行杂原子、缺陷和吸附剂掺杂，可设计无金属炭基电催化剂的靶向活性位点以催化特定的化学反应。（三）炭基储能材料市场规模硬炭是指高
13、温下难以被石墨化的炭，其具有很高的可逆比容量，低或非石墨化的硬炭可作为动力型锂离子或钠离子电池的负极材料。硬炭早期为锂离子电池负极材料所开发，首效等电化学性能有待提高限制了应用。硬炭负极材料比容量高，理论值约为530mAh/g，但是存在首次库伦效率低、长循环稳定性不高和压实密度低的问题。同时由于硬炭基材料储钠机理本身存在严重争议，不利于开发一种高性能硬炭基储钠负极，这些都限制了硬炭的早期应用。早期硬炭主要在锂电负极材料中和石墨掺混使用，以提高快充和低温下的电池性能。目前钠离子电池负极材料的研究主要集中在炭基材料、合金类、过渡金属氧化物及有机化合物等。在众多负极材料中硬炭材料具有结构多样、价格低
14、廉、导电性良好、储钠容量高、嵌钠后体积形变小、环境友好和低氧化还原电位等优点。根据中国国际金融股份发布的研究报告电池材料前瞻：钠电重生，硬碳先行：储能场景为钠电应用提供坚实支撑，动力电池丰富了钠电应用场景。储能为钠电的应用提供了坚实的应用场景支撑，考虑到钠电产业化进程较缓的现状，在电化学储能领域，预估2025年新增部分钠电占比在15%左右。动力电池领域，钠离子电池主要对铅酸电池、磷酸铁锂市场进行部分替代，主要应用场景在低速乘用车以及商用车。当下由于钠电产业化还不成熟，成本较高，据此预估2024年前相关动力电池应用场景的渗透率不会超过2%。硬炭市场从无到有，2022-2025年需求量有望从02万
15、吨提升到105万吨。考虑硬炭主要供给钠离子电池负极材料以及部分掺杂硬炭的锂离子动力电池，测算得出20222025年硬炭材料的需求量有望从02万吨/年提升到105万吨/年。考虑到近两年市场主要以进口为主，进口硬炭价格20万元/吨，国产硬炭价格普遍在10万元/吨或更低，随着国产硬炭出货量增加，估计硬炭平均价格会持续回落，预计至2025年硬炭材料市场空间为63亿元。超级电容炭通常称为超级活性炭或炭电极材料，是一种新型高吸附活性炭，其介于电池与普通电容之间，具有电容的大电流快速充放电特性。超级电容在、制造业等领域应用广泛，另外其还具备电池的储能特性，并且可以重复使用，其具有超长的循环寿命，可循环约20
16、万次到100万次，在生命周期里储存和释放的电量大概是锂离子电池的6-10倍，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，从而为设备提供电源。作为超级电容电极的核心材料，超级电容炭由于具有较大的比表面积、良好的导电性能、低廉的价格、较长的循环使用寿命和稳定的理化性质等特点常被视为制备双层电容器的首选电极材料，也是目前在超级电容器领域实现商业化应用的最为主要的电极材料，其在电容电极原料中使用量占比在90%左右，生产成本占比约30%-50%。随着未来对超级电容器需求量的增长，超级电容炭的市场需求也会随之增加。根据纳米复合超级电容器材料手册（SpringerInternationalPublishing），2021年全球超级电容市场规模达292亿美元，预计2025年市场规模达833亿美元，对应2021-2025年CAGR为30%。根据华经产业研究院数据，超级电容器上游有电极、电解液、隔
