炭素知識課堂：如何創(chuàng)新？負極材料石墨化工序詳解
編輯：2023-12-17 18:55:00
汽車電動化加速，人造石墨需求拉動石墨化增長。石墨化是將熱力學不穩(wěn)定的炭原子向石墨晶體結構有序轉化的過程，是人造石墨負極制備的核心工序，一定程度上決定了人造石墨產(chǎn)品品質和質量穩(wěn)定性。石墨化下游主要為石墨電極和鋰電用石墨負極，早期石墨化需求主要由制造鋼鐵冶煉所需的石墨電極帶動，自負極材料企業(yè)掌握對焦類原材料進行石墨化加工以來，受益汽車電動化爆發(fā)的人造石墨負極材料需求成為推動石墨化發(fā)展的主要推手。22年上半年我國鋰電負極材料出貨量54.0萬噸，同比增長68.8%，其中人造石墨占比持續(xù)提升，已達到85%。我們測算，25年全球對石墨化的需求約為240萬噸，CAGR 36.6%。
負極龍頭貢獻新增供給，釋放石墨化逐漸緩解的信號。起初，負極材料廠商的石墨化加工以外協(xié)為主，21年鋰電需求爆發(fā)式增長疊加能耗雙控等因素帶動石墨化加工供不應求價格上漲，至22年7月底石墨化價格已上漲至2.8萬元/噸，較21年低點上漲86.7%。出于降本和保障供應鏈的因素，負極廠商紛紛通過自建、收購或參股石墨化加工廠的方式完善負極材料產(chǎn)業(yè)鏈條，以期獲得更大的競爭優(yōu)勢。我們測算，21年頭部負極企業(yè)外協(xié)石墨化需求24萬噸，較20年增長82%。隨著頭部負極企業(yè)自建石墨化產(chǎn)能的逐步落地；預計22年外協(xié)石墨化需求為33萬噸，增速放緩至36%；23年外協(xié)石墨化需求31萬噸，同比下滑7%。同時，頭部企業(yè)引領廂式爐和連續(xù)石墨化等石墨化工藝迭代有望進一步推動石墨化行業(yè)降本增效。
一體化加碼帶來降本空間，負極企業(yè)獲得盈利彈性。由于負極產(chǎn)品漲價存在一定時滯且大部分負極企業(yè)石墨化自給率有限，21年以來負極企業(yè)受石墨化漲價沖擊毛利率均有所下滑。隨著頭部負極企業(yè)石墨化產(chǎn)能逐步投產(chǎn)，我們預計負極企業(yè)有望明顯受益自身石墨化自給率提升及行業(yè)石墨化價格下降帶來的盈利改善。
1.汽車電動化加速，人造石墨成首選
海內(nèi)外共振，全球汽車電動化趨勢明顯。根據(jù)EV Sales數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2012-2021年全球新能源汽車銷量從12.5萬輛增長至675萬輛，CAGR 55.7%。同時，全球新能源汽車滲透率穩(wěn)步提升，2021年全球滲透率達到8.3%，較2020年提升4.1個pct。2022年第一季度，全球新能源汽車銷量達到206.1萬輛，同比增長77%，滲透率達到11.2%。其中，中國整體新能源汽車銷量達到125.7萬輛，同比增長142.7%，滲透率達到19.2%；歐洲整體新能源汽車銷量達到56.2萬輛，同比增長23.7%，滲透率達到20.4%；美國新能源乘用車銷量達到21.6萬輛，同比增長71.8%，滲透率達到6.5%。
新能源汽車銷量快速增長，推動鋰離子動力電池行業(yè)持續(xù)景氣。2021年，全球動力電池裝機量快速攀升，達到297 GWh，約占全球鋰電池總需求量的62%。2022年上半年，全球動力電池裝機量達到202 GWh，同比增長76.0%。其中，國內(nèi)動力電池裝機量達到110 GWh，同比增長109.8%，占比全球超過5成。
負極材料出貨量保持快速提升，中國市占率領銜全球。根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2017-2021年中國負極材料出貨量CAGR達49.0%；2021年我國負極材料出貨量達到72.0萬噸，同比增長97.3%，占全球總出貨量的比例由2020年的77%提高到2021年的86%。2022年上半年我國鋰電負極材料出貨量54.0萬噸，同比增長68.8%。
受益汽車電動化，人造石墨負極成為主要的負極材料品種。目前鋰離子電池負極材料包括天然石墨材料、人造石墨材料、硅基及其他負極材料；主流的負極材料為天然石墨材料和人造石墨材料，鑒于兩者材料在成本、能量密度、循環(huán)壽命、快充倍率、加工性能等因素的差異，目前前者主要用于消費電子領域，后者逐步成為動力電池負極材料首選。
人造石墨在負極材料出貨量中的占比逐年提高。根據(jù)GGII統(tǒng)計，我國人造石墨的出貨量由2017的10.1萬噸上升到2021年的60.5萬噸，CAGR 56.4%，在負極材料中占比從2017年的69.2%上升到2021年的84.0%。2022年上半年我國人造石墨市場占比為85%，占比進一步提升。
2.人造石墨需求拉動，石墨化成“卡脖子”環(huán)節(jié)
2.1 石墨化：人造石墨生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，構建產(chǎn)品品質保證
石墨化是人造石墨制備中的核心工序，構建產(chǎn)品性能品質保證。石墨具備良好的電子電導率和離子電導率，其平面六角的層狀結構和較低的充放電電壓十分適合Li+的脫嵌運動，是目前較為理想的負極材料。石墨化是將熱力學不穩(wěn)定的炭原子實現(xiàn)由亂層結構向石墨晶體結構的有序轉化的過程。人造石墨以石油焦或針狀焦為主要原料，在高溫電爐內(nèi)保護性介質（多為氮氣）中加熱到2800 ℃以上，改變焦類材料的空間結構，使之具備良好的體積密度、導電率、導熱率、抗腐蝕性能及機械加工性能。應該說，石墨化在一定程度上決定了人造石墨產(chǎn)品的品質和質量的穩(wěn)定性。
石墨化約占人造石墨負極成本50%，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗保證石墨化環(huán)節(jié)質量。石墨化工藝流程主要包括鋪爐底、砌爐芯、負極材料前驅體及保溫料體的裝爐、送電、冷卻、出爐、包裝等過程。一個周期石墨化一般要20-30天，其中送電升溫用時40-100小時是石墨化工序的關鍵環(huán)節(jié)。為得到較好的石墨化*，企業(yè)需要根據(jù)電阻材料性能的不同，調(diào)整物料間的距離；且需要根據(jù)石墨化爐的容量和產(chǎn)品規(guī)格，調(diào)整通電曲線，控制石墨化過程中升溫和降溫的速率。由于加工過程中看不到爐中的反應情況，無法返工，因此，廠商的生產(chǎn)經(jīng)驗在石墨化環(huán)節(jié)非常重要。由于整個環(huán)節(jié)需要高溫，能耗較高，石墨化工序約占人造石墨負極成本50%。
2.2 石墨化需求：人造石墨材料高增長拉動需求
早期石墨化需求主要由用于制造鋼鐵冶煉所需的石墨電極帶動，自負極材料企業(yè)掌握利用石墨化工藝對焦類原材料進行石墨化加工以來，人造石墨負極材料需求快速增加成為推動石墨化發(fā)展的主要推手。
石墨電極主要用于電爐煉鋼、工業(yè)硅、磨料、黃磷等行業(yè)，電爐鋼占比提升拉動石墨電極需求增長。2021年中國石墨電極產(chǎn)量為108萬噸，中國石墨電極總需求量達到107.2萬噸，其中出口量達到37萬噸(占比34.5%)，國內(nèi)電極需求量約70.2萬噸(占比65.5%)。國內(nèi)鋼鐵行業(yè)電極需求量約47.3萬噸(占比44.1%)，主要用于電爐煉鋼和爐外精煉。由于電爐煉鋼相比高爐煉鋼更加環(huán)保，在碳中和背景下，電爐鋼占比提升有望拉動石墨電極需求。根據(jù)Mysteel統(tǒng)計，2021年我國粗鋼產(chǎn)量10.50億噸，其中電弧爐鋼占粗鋼總產(chǎn)量的10.9%，約為1.15億噸。2022年1月，工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布的《關于推動鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》提出“有序引導短流程煉鋼（電爐）”，談及爭取在“十四五”末(2025年)實現(xiàn)“電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量比例提升至15%以上，力爭達到20%”的目標。考慮到目前我國鋼材消費逐漸接近峰值，且粗鋼產(chǎn)量受控，若考慮2025年我國鋼材消費5%下滑且電爐鋼比例提升至20%，則2025年我國電爐煉鋼石墨電極需求量將提升至82.4萬噸。假設出口，金屬硅等其他方面需求量3%的平穩(wěn)增長，則2025年中國石墨電極總需求量約為150萬噸，CAGR 8.8%。
人造石墨負極材料成為拉動石墨化需求主力。根據(jù)Wood Mackenzie統(tǒng)計，2021年計劃產(chǎn)能排名前15位的動力電池廠商共投產(chǎn)約200 GWh，累計產(chǎn)能達到600 GWh。同時，3000 GWh處于規(guī)劃或建設階段。我們預計，2025年全球鋰電池需求量有望達到2108 GWh，對應的負極材料需求量約為253萬噸，若考慮人造石墨占比85%，則人造石墨的需求量約為215萬噸?；谑?0%的收率假設，2025年對石墨化的需求約為239萬噸，CAGR 36.9%。
2.3 石墨化供給：負級龍頭企業(yè)一體化產(chǎn)能貢獻新增供給
石墨化屬于高耗能行業(yè)，國內(nèi)負極石墨化產(chǎn)能主要位于電價較低地區(qū)。石墨化是通過高溫熱處理實現(xiàn)對原子重排及結構轉變的過程，單噸物料石墨化處理約需要7000-14000度電，故電費在石墨化成本中占比高達40%。從地域上看，負極石墨化產(chǎn)能主要分布在內(nèi)蒙古、四川、山西等地電價較低區(qū)域。
起初，負極材料廠商的石墨化加工環(huán)節(jié)以外協(xié)為主。主要原因是：1)對石墨化產(chǎn)品的理化指標如比容量、壓實密度、石墨化度、磁性物質含量等的檢測屬于標準檢測手段，負極材料廠商可以通過對石墨化產(chǎn)品理化指標的控制以確保委外加工的質量滿足要求；2)石墨化產(chǎn)能建設所需的固定資產(chǎn)投資較大，且石墨化加工產(chǎn)生的副產(chǎn)品的處置需要穩(wěn)定的鋼廠、鋁廠客戶資源；3)石墨化、原料粉碎工藝均是碳素行業(yè)傳統(tǒng)成熟的工藝，可選擇外協(xié)加工的廠商比較多，不存在對個別廠商的重大依賴情況。
21年開始，以自建石墨化產(chǎn)能為主的一體化模式逐漸成為負極行業(yè)的產(chǎn)業(yè)趨勢。自2021年來，鋰離子電池市場需求爆發(fā)式增長為負極材料行業(yè)帶來了較大的發(fā)展契機，也帶動石墨化加工供不應求。出于降本和保障供應鏈的因素，負極材料廠商紛紛通過自建、收購或者參股石墨化加工廠，完善負極材料產(chǎn)業(yè)鏈條，以期獲得更大的競爭優(yōu)勢。
頭部負極企業(yè)石墨化產(chǎn)能逐步投產(chǎn)，釋放石墨化逐漸緩解的信號。近年來負極行業(yè)一體化趨勢日益提速，我們選取負極頭部“四大三小”企業(yè)進行分析，2021年負極行業(yè)處于石墨化短缺*為嚴重階段，頭部負極企業(yè)外協(xié)石墨化需求24萬噸，較2020年增長82%。隨著頭部負極企業(yè)自建石墨化產(chǎn)能的逐步落地，我們預計2022年外協(xié)石墨化需求為33萬噸，增速放緩至36%，2023年外協(xié)石墨化需求則有望相較2022年減少至31萬噸，同比下滑7%。行業(yè)方面，根據(jù)炭素邦統(tǒng)計，2022年石墨化行業(yè)預計新增產(chǎn)能30-40萬噸，加上2021年年底石墨化80-90萬噸的總產(chǎn)能，2022年石墨化行業(yè)產(chǎn)能有望達到130-140萬噸，基本滿足負極材料需求。
2.4 石墨化工藝創(chuàng)新：箱式爐、連續(xù)石墨化引領降本提效
艾奇遜爐坩堝法是目前石墨化主流生產(chǎn)工藝。按照加熱方法不同，石墨化主要有間歇式和連續(xù)式兩種生產(chǎn)工藝。間歇式石墨化過程中物料需要經(jīng)歷裝爐、升溫、石墨化、降溫斷電出爐等工序。以目前主流的艾奇遜爐為例，石墨化過程主要包括將負極材料均勻放入石墨坩堝內(nèi)，再通過天車吊起平放入石墨化爐中，將電阻料放入爐芯處石墨坩堝外圍，再包覆保溫料，將爐體填滿，即完成裝爐。將爐體裝滿后，即進入電加熱過程，通過石墨化爐兩側的電極進行通電加熱，在爐內(nèi)達到一定溫度后加蓋爐頂并設置集氣罩，爐內(nèi)溫度將繼續(xù)升至2800 - 3000 ℃，*終將坩堝內(nèi)含碳物質在高溫熱處理下，實現(xiàn)減少無定型碳微晶結構邊緣雜質，使其具備石墨晶體結構特征。通電加熱結束后，將爐頂打開，靜置冷卻至材料恢復常溫，即結束該生產(chǎn)過程。通常情況下，石墨化工序或提純工序一個周期將達到15-22天。
廂式法大幅提高單爐量，降低能耗，頭部負極企業(yè)逐步導入。石墨化工藝的關鍵環(huán)節(jié)之一是裝爐，廂式爐工藝相較于坩堝法可以提高單爐裝爐量。廂式爐工藝將整個爐芯空間分成若干個等容積腔室，負極材料直接放置于石墨板材所圍成的廂體空間中，石墨板材具有導電性，廂體通電后自身發(fā)熱，在作為負極材料容器的同時能夠達到材料加熱的目的。廂式爐工藝避免了負極材料重復裝入、裝出坩堝工作，且由于廂體自身材質及形狀特點，廂體之間無需添加保溫電阻料，僅需保留廂體四周與爐壁之間的保溫材料，增大了爐內(nèi)負極材料的有效容積及使用效率。根據(jù)璞泰來定增回復函，箱式爐工藝可以使單爐有效容積成倍增加，于此同時總耗電量僅增加約10%，從而帶來產(chǎn)品單位耗電降低40%-50%左右。與坩堝裝填方式相比，廂式法工藝廂板拼接過程精度較高，裝料吸料操作難度加大，加熱過程需更加精確地控制送電曲線及溫度測量，所以整體對石墨化工藝掌握程度及技術優(yōu)化水平要求較高，目前行業(yè)內(nèi)僅有貝特瑞、璞泰來、杉杉股份、凱金能源、翔豐華等少數(shù)頭部企業(yè)掌握并規(guī)模化使用。
連續(xù)式石墨化具有成本、效率、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，成為產(chǎn)業(yè)化探索新方向。連續(xù)式石墨化生產(chǎn)過程中沒有斷電，石墨原料經(jīng)過一系列的溫區(qū)從而實現(xiàn)連續(xù)石墨化。其原理是先將備好的粒度為1~30 mm的散狀石油焦由上料裝置送入進料斗，經(jīng)過干燥、煅燒階段，將產(chǎn)生的蒸汽和揮發(fā)分排出；而后進入高溫區(qū)完成石墨化；*終進入爐底冷卻器，冷卻到200~300 ℃時，打開冷卻器底部的閘板出料，自然冷卻至室溫。連續(xù)石墨化具備以下優(yōu)勢：
1)熱能利用率更高(連續(xù)法25%，艾奇遜法10-15%)；
2)生產(chǎn)輔料節(jié)約，設備法幾乎不消耗輔料，艾奇遜法沒生產(chǎn)1噸產(chǎn)品大概消耗4噸輔料；
3)廢氣集中處理，對環(huán)境友好，連續(xù)法生產(chǎn)過程密閉，由專門的輔機收集處理廢氣，艾奇遜法是敞開式冶煉環(huán)境，無法有效收集廢氣）；
4)碳排放很低，設備法僅為艾奇遜法碳排放當量的25%；
5)設備法生產(chǎn)組織模式具有連續(xù)性，中間產(chǎn)品“不落地”，節(jié)省大量人力、運輸運轉費用。根據(jù)山河智能反饋，行業(yè)艾奇遜法平均耗電8000-14000度/噸，而連續(xù)法耗電量將比傳統(tǒng)艾奇遜法降低30%左右且輔料大大減少。但目前看實現(xiàn)連續(xù)石墨化升溫至2800度以上相對困難，且由于其生產(chǎn)過程密閉雜質氣化易使爐內(nèi)壓力過高。目前貝特瑞、山河智能等企業(yè)在嘗試突破中。
3.一體化加碼帶來降本空間，負極企業(yè)獲得盈利彈性
3.1 石墨化市場回顧：價格大幅上漲，負極企業(yè)盈利面臨壓力
石墨化漲價影響負極企業(yè)盈利，近期價格有所回落。2021年下半年開始，負極材料需求爆發(fā)疊加能耗雙控政策等因素推升石墨化價格迅速上漲，至2022年7月底石墨化價格已上漲至2.8萬元/噸，較2021年*低點價格上漲86.7%。從2021年和2022年上半年負極企業(yè)毛利率來看，由于負極漲價存在一定時滯且大部分企業(yè)石墨化自給率有限，負極材料企業(yè)毛利率均有所下滑，石墨化價格上漲對成本造成了一定的影響。進入2022年8月以來，石墨化價格減少1000元/噸至于2.7萬/噸，已有所回落。
3.2 一體化提升石墨自給率，負極企業(yè)盈利有望提升
石墨一體化推動負極企業(yè)降本突破。石墨化成本在人造石墨負極材料加工成本中占比約50%，早期負極材料企業(yè)主要以委外石墨化加工的方式生產(chǎn)，隨著頭部負極企業(yè)在負極諸多工序技術的逐漸成熟，石墨化工序成為成本控制的有力突破點。參考尚太科技招股說明書為例，若參考2020年企業(yè)經(jīng)營情況并假設石墨化價格/成本分別為2.00/1.00萬元/噸和2.50/1.00萬元/噸，則自給率從50%提升至70%將帶動相應毛利率分別提升8.66 pct/12.86 pct。
3.3 一體化投產(chǎn)釋放供給緩解信號，負極企業(yè)盈利有望修復
石墨一體化產(chǎn)能逐步落地將釋放供給緩解信號。考慮到22年下半年頭部負極材料企業(yè)石墨一體化產(chǎn)能的逐步投產(chǎn)，石墨化環(huán)節(jié)供需緊張的預期有望得到緩解，疊加石墨化行業(yè)自身產(chǎn)能端的釋放，我們預計，往后看石墨化價格將有所回落，推動負極企業(yè)盈利能力的改善。
石墨化價格下降對負極材料企業(yè)盈利提升顯著。我們選取璞泰來、杉杉股份、中科電氣、翔豐華、貝特瑞頭部五家負極材料企業(yè)，若假設石墨化價格分別下跌5%/10% 的情況，則相應毛利率將有望分別提升2.13%/0.48%/2.20%/1.75%/0.99%和4.27%/0.95%/4.40%/3.49%/ 1.97%，考慮到企業(yè)10-20%凈利率，則石墨化價格下降貢獻盈利端彈性明顯。
（來源鏈接：http://news.sohu.com/a/733351374_121123888）
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炭素知識課堂：如何創(chuàng)新？負極材料石墨化工序詳解
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汽車電動化加速，人造石墨需求拉動石墨化增長。石墨化是將熱力學不穩(wěn)定的炭原子向石墨晶體結構有序轉化的過程，是人造石墨負極制備的核心工序，一定程度上決定了人造石墨產(chǎn)品品質和質量穩(wěn)定性。石墨化下游主要為石墨電極和鋰電用石墨負極，早期石墨化需求主要由制造鋼鐵冶煉所需的石墨電極帶動，自負極材料企業(yè)掌握對焦類原材料進行石墨化加工以來，受益汽車電動化爆發(fā)的人造石墨負極材料需求成為推動石墨化發(fā)展的主要推手。22年上半年我國鋰電負極材料出貨量54.0萬噸，同比增長68.8%，其中人造石墨占比持續(xù)提升，已達到85%。我們測算，25年全球對石墨化的需求約為240萬噸，CAGR 36.6%。
負極龍頭貢獻新增供給，釋放石墨化逐漸緩解的信號。起初，負極材料廠商的石墨化加工以外協(xié)為主，21年鋰電需求爆發(fā)式增長疊加能耗雙控等因素帶動石墨化加工供不應求價格上漲，至22年7月底石墨化價格已上漲至2.8萬元/噸，較21年低點上漲86.7%。出于降本和保障供應鏈的因素，負極廠商紛紛通過自建、收購或參股石墨化加工廠的方式完善負極材料產(chǎn)業(yè)鏈條，以期獲得更大的競爭優(yōu)勢。我們測算，21年頭部負極企業(yè)外協(xié)石墨化需求24萬噸，較20年增長82%。隨著頭部負極企業(yè)自建石墨化產(chǎn)能的逐步落地；預計22年外協(xié)石墨化需求為33萬噸，增速放緩至36%；23年外協(xié)石墨化需求31萬噸，同比下滑7%。同時，頭部企業(yè)引領廂式爐和連續(xù)石墨化等石墨化工藝迭代有望進一步推動石墨化行業(yè)降本增效。
一體化加碼帶來降本空間，負極企業(yè)獲得盈利彈性。由于負極產(chǎn)品漲價存在一定時滯且大部分負極企業(yè)石墨化自給率有限，21年以來負極企業(yè)受石墨化漲價沖擊毛利率均有所下滑。隨著頭部負極企業(yè)石墨化產(chǎn)能逐步投產(chǎn)，我們預計負極企業(yè)有望明顯受益自身石墨化自給率提升及行業(yè)石墨化價格下降帶來的盈利改善。
1.汽車電動化加速，人造石墨成首選
海內(nèi)外共振，全球汽車電動化趨勢明顯。根據(jù)EV Sales數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2012-2021年全球新能源汽車銷量從12.5萬輛增長至675萬輛，CAGR 55.7%。同時，全球新能源汽車滲透率穩(wěn)步提升，2021年全球滲透率達到8.3%，較2020年提升4.1個pct。2022年第一季度，全球新能源汽車銷量達到206.1萬輛，同比增長77%，滲透率達到11.2%。其中，中國整體新能源汽車銷量達到125.7萬輛，同比增長142.7%，滲透率達到19.2%；歐洲整體新能源汽車銷量達到56.2萬輛，同比增長23.7%，滲透率達到20.4%；美國新能源乘用車銷量達到21.6萬輛，同比增長71.8%，滲透率達到6.5%。
新能源汽車銷量快速增長，推動鋰離子動力電池行業(yè)持續(xù)景氣。2021年，全球動力電池裝機量快速攀升，達到297 GWh，約占全球鋰電池總需求量的62%。2022年上半年，全球動力電池裝機量達到202 GWh，同比增長76.0%。其中，國內(nèi)動力電池裝機量達到110 GWh，同比增長109.8%，占比全球超過5成。
負極材料出貨量保持快速提升，中國市占率領銜全球。根據(jù)GGII數(shù)據(jù)，2017-2021年中國負極材料出貨量CAGR達49.0%；2021年我國負極材料出貨量達到72.0萬噸，同比增長97.3%，占全球總出貨量的比例由2020年的77%提高到2021年的86%。2022年上半年我國鋰電負極材料出貨量54.0萬噸，同比增長68.8%。
受益汽車電動化，人造石墨負極成為主要的負極材料品種。目前鋰離子電池負極材料包括天然石墨材料、人造石墨材料、硅基及其他負極材料；主流的負極材料為天然石墨材料和人造石墨材料，鑒于兩者材料在成本、能量密度、循環(huán)壽命、快充倍率、加工性能等因素的差異，目前前者主要用于消費電子領域，后者逐步成為動力電池負極材料首選。
人造石墨在負極材料出貨量中的占比逐年提高。根據(jù)GGII統(tǒng)計，我國人造石墨的出貨量由2017的10.1萬噸上升到2021年的60.5萬噸，CAGR 56.4%，在負極材料中占比從2017年的69.2%上升到2021年的84.0%。2022年上半年我國人造石墨市場占比為85%，占比進一步提升。
2.人造石墨需求拉動，石墨化成“卡脖子”環(huán)節(jié)
2.1 石墨化：人造石墨生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，構建產(chǎn)品品質保證
石墨化是人造石墨制備中的核心工序，構建產(chǎn)品性能品質保證。石墨具備良好的電子電導率和離子電導率，其平面六角的層狀結構和較低的充放電電壓十分適合Li+的脫嵌運動，是目前較為理想的負極材料。石墨化是將熱力學不穩(wěn)定的炭原子實現(xiàn)由亂層結構向石墨晶體結構的有序轉化的過程。人造石墨以石油焦或針狀焦為主要原料，在高溫電爐內(nèi)保護性介質（多為氮氣）中加熱到2800 ℃以上，改變焦類材料的空間結構，使之具備良好的體積密度、導電率、導熱率、抗腐蝕性能及機械加工性能。應該說，石墨化在一定程度上決定了人造石墨產(chǎn)品的品質和質量的穩(wěn)定性。
石墨化約占人造石墨負極成本50%，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗保證石墨化環(huán)節(jié)質量。石墨化工藝流程主要包括鋪爐底、砌爐芯、負極材料前驅體及保溫料體的裝爐、送電、冷卻、出爐、包裝等過程。一個周期石墨化一般要20-30天，其中送電升溫用時40-100小時是石墨化工序的關鍵環(huán)節(jié)。為得到較好的石墨化*，企業(yè)需要根據(jù)電阻材料性能的不同，調(diào)整物料間的距離；且需要根據(jù)石墨化爐的容量和產(chǎn)品規(guī)格，調(diào)整通電曲線，控制石墨化過程中升溫和降溫的速率。由于加工過程中看不到爐中的反應情況，無法返工，因此，廠商的生產(chǎn)經(jīng)驗在石墨化環(huán)節(jié)非常重要。由于整個環(huán)節(jié)需要高溫，能耗較高，石墨化工序約占人造石墨負極成本50%。
2.2 石墨化需求：人造石墨材料高增長拉動需求
早期石墨化需求主要由用于制造鋼鐵冶煉所需的石墨電極帶動，自負極材料企業(yè)掌握利用石墨化工藝對焦類原材料進行石墨化加工以來，人造石墨負極材料需求快速增加成為推動石墨化發(fā)展的主要推手。
石墨電極主要用于電爐煉鋼、工業(yè)硅、磨料、黃磷等行業(yè)，電爐鋼占比提升拉動石墨電極需求增長。2021年中國石墨電極產(chǎn)量為108萬噸，中國石墨電極總需求量達到107.2萬噸，其中出口量達到37萬噸(占比34.5%)，國內(nèi)電極需求量約70.2萬噸(占比65.5%)。國內(nèi)鋼鐵行業(yè)電極需求量約47.3萬噸(占比44.1%)，主要用于電爐煉鋼和爐外精煉。由于電爐煉鋼相比高爐煉鋼更加環(huán)保，在碳中和背景下，電爐鋼占比提升有望拉動石墨電極需求。根據(jù)Mysteel統(tǒng)計，2021年我國粗鋼產(chǎn)量10.50億噸，其中電弧爐鋼占粗鋼總產(chǎn)量的10.9%，約為1.15億噸。2022年1月，工信部、發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合發(fā)布的《關于推動鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》提出“有序引導短流程煉鋼（電爐）”，談及爭取在“十四五”末(2025年)實現(xiàn)“電爐鋼產(chǎn)量占粗鋼總產(chǎn)量比例提升至15%以上，力爭達到20%”的目標?？紤]到目前我國鋼材消費逐漸接近峰值，且粗鋼產(chǎn)量受控，若考慮2025年我國鋼材消費5%下滑且電爐鋼比例提升至20%，則2025年我國電爐煉鋼石墨電極需求量將提升至82.4萬噸。假設出口，金屬硅等其他方面需求量3%的平穩(wěn)增長，則2025年中國石墨電極總需求量約為150萬噸，CAGR 8.8%。
人造石墨負極材料成為拉動石墨化需求主力。根據(jù)Wood Mackenzie統(tǒng)計，2021年計劃產(chǎn)能排名前15位的動力電池廠商共投產(chǎn)約200 GWh，累計產(chǎn)能達到600 GWh。同時，3000 GWh處于規(guī)劃或建設階段。我們預計，2025年全球鋰電池需求量有望達到2108 GWh，對應的負極材料需求量約為253萬噸，若考慮人造石墨占比85%，則人造石墨的需求量約為215萬噸?；谑?0%的收率假設，2025年對石墨化的需求約為239萬噸，CAGR 36.9%。
2.3 石墨化供給：負級龍頭企業(yè)一體化產(chǎn)能貢獻新增供給
石墨化屬于高耗能行業(yè)，國內(nèi)負極石墨化產(chǎn)能主要位于電價較低地區(qū)。石墨化是通過高溫熱處理實現(xiàn)對原子重排及結構轉變的過程，單噸物料石墨化處理約需要7000-14000度電，故電費在石墨化成本中占比高達40%。從地域上看，負極石墨化產(chǎn)能主要分布在內(nèi)蒙古、四川、山西等地電價較低區(qū)域。
起初，負極材料廠商的石墨化加工環(huán)節(jié)以外協(xié)為主。主要原因是：1)對石墨化產(chǎn)品的理化指標如比容量、壓實密度、石墨化度、磁性物質含量等的檢測屬于標準檢測手段，負極材料廠商可以通過對石墨化產(chǎn)品理化指標的控制以確保委外加工的質量滿足要求；2)石墨化產(chǎn)能建設所需的固定資產(chǎn)投資較大，且石墨化加工產(chǎn)生的副產(chǎn)品的處置需要穩(wěn)定的鋼廠、鋁廠客戶資源；3)石墨化、原料粉碎工藝均是碳素行業(yè)傳統(tǒng)成熟的工藝，可選擇外協(xié)加工的廠商比較多，不存在對個別廠商的重大依賴情況。
21年開始，以自建石墨化產(chǎn)能為主的一體化模式逐漸成為負極行業(yè)的產(chǎn)業(yè)趨勢。自2021年來，鋰離子電池市場需求爆發(fā)式增長為負極材料行業(yè)帶來了較大的發(fā)展契機，也帶動石墨化加工供不應求。出于降本和保障供應鏈的因素，負極材料廠商紛紛通過自建、收購或者參股石墨化加工廠，完善負極材料產(chǎn)業(yè)鏈條，以期獲得更大的競爭優(yōu)勢。
頭部負極企業(yè)石墨化產(chǎn)能逐步投產(chǎn)，釋放石墨化逐漸緩解的信號。近年來負極行業(yè)一體化趨勢日益提速，我們選取負極頭部“四大三小”企業(yè)進行分析，2021年負極行業(yè)處于石墨化短缺*為嚴重階段，頭部負極企業(yè)外協(xié)石墨化需求24萬噸，較2020年增長82%。隨著頭部負極企業(yè)自建石墨化產(chǎn)能的逐步落地，我們預計2022年外協(xié)石墨化需求為33萬噸，增速放緩至36%，2023年外協(xié)石墨化需求則有望相較2022年減少至31萬噸，同比下滑7%。行業(yè)方面，根據(jù)炭素邦統(tǒng)計，2022年石墨化行業(yè)預計新增產(chǎn)能30-40萬噸，加上2021年年底石墨化80-90萬噸的總產(chǎn)能，2022年石墨化行業(yè)產(chǎn)能有望達到130-140萬噸，基本滿足負極材料需求。
2.4 石墨化工藝創(chuàng)新：箱式爐、連續(xù)石墨化引領降本提效
艾奇遜爐坩堝法是目前石墨化主流生產(chǎn)工藝。按照加熱方法不同，石墨化主要有間歇式和連續(xù)式兩種生產(chǎn)工藝。間歇式石墨化過程中物料需要經(jīng)歷裝爐、升溫、石墨化、降溫斷電出爐等工序。以目前主流的艾奇遜爐為例，石墨化過程主要包括將負極材料均勻放入石墨坩堝內(nèi)，再通過天車吊起平放入石墨化爐中，將電阻料放入爐芯處石墨坩堝外圍，再包覆保溫料，將爐體填滿，即完成裝爐。將爐體裝滿后，即進入電加熱過程，通過石墨化爐兩側的電極進行通電加熱，在爐內(nèi)達到一定溫度后加蓋爐頂并設置集氣罩，爐內(nèi)溫度將繼續(xù)升至2800 - 3000 ℃，*終將坩堝內(nèi)含碳物質在高溫熱處理下，實現(xiàn)減少無定型碳微晶結構邊緣雜質，使其具備石墨晶體結構特征。通電加熱結束后，將爐頂打開，靜置冷卻至材料恢復常溫，即結束該生產(chǎn)過程。通常情況下，石墨化工序或提純工序一個周期將達到15-22天。
廂式法大幅提高單爐量，降低能耗，頭部負極企業(yè)逐步導入。石墨化工藝的關鍵環(huán)節(jié)之一是裝爐，廂式爐工藝相較于坩堝法可以提高單爐裝爐量。廂式爐工藝將整個爐芯空間分成若干個等容積腔室，負極材料直接放置于石墨板材所圍成的廂體空間中，石墨板材具有導電性，廂體通電后自身發(fā)熱，在作為負極材料容器的同時能夠達到材料加熱的目的。廂式爐工藝避免了負極材料重復裝入、裝出坩堝工作，且由于廂體自身材質及形狀特點，廂體之間無需添加保溫電阻料，僅需保留廂體四周與爐壁之間的保溫材料，增大了爐內(nèi)負極材料的有效容積及使用效率。根據(jù)璞泰來定增回復函，箱式爐工藝可以使單爐有效容積成倍增加，于此同時總耗電量僅增加約10%，從而帶來產(chǎn)品單位耗電降低40%-50%左右。與坩堝裝填方式相比，廂式法工藝廂板拼接過程精度較高，裝料吸料操作難度加大，加熱過程需更加精確地控制送電曲線及溫度測量，所以整體對石墨化工藝掌握程度及技術優(yōu)化水平要求較高，目前行業(yè)內(nèi)僅有貝特瑞、璞泰來、杉杉股份、凱金能源、翔豐華等少數(shù)頭部企業(yè)掌握并規(guī)?；褂?。
連續(xù)式石墨化具有成本、效率、環(huán)保等方面的優(yōu)勢，成為產(chǎn)業(yè)化探索新方向。連續(xù)式石墨化生產(chǎn)過程中沒有斷電，石墨原料經(jīng)過一系列的溫區(qū)從而實現(xiàn)連續(xù)石墨化。其原理是先將備好的粒度為1~30 mm的散狀石油焦由上料裝置送入進料斗，經(jīng)過干燥、煅燒階段，將產(chǎn)生的蒸汽和揮發(fā)分排出；而后進入高溫區(qū)完成石墨化；*終進入爐底冷卻器，冷卻到200~300 ℃時，打開冷卻器底部的閘板出料，自然冷卻至室溫。連續(xù)石墨化具備以下優(yōu)勢：
1)熱能利用率更高(連續(xù)法25%，艾奇遜法10-15%)；
2)生產(chǎn)輔料節(jié)約，設備法幾乎不消耗輔料，艾奇遜法沒生產(chǎn)1噸產(chǎn)品大概消耗4噸輔料；
3)廢氣集中處理，對環(huán)境友好，連續(xù)法生產(chǎn)過程密閉，由專門的輔機收集處理廢氣，艾奇遜法是敞開式冶煉環(huán)境，無法有效收集廢氣）；
4)碳排放很低，設備法僅為艾奇遜法碳排放當量的25%；
5)設備法生產(chǎn)組織模式具有連續(xù)性，中間產(chǎn)品“不落地”，節(jié)省大量人力、運輸運轉費用。根據(jù)山河智能反饋，行業(yè)艾奇遜法平均耗電8000-14000度/噸，而連續(xù)法耗電量將比傳統(tǒng)艾奇遜法降低30%左右且輔料大大減少。但目前看實現(xiàn)連續(xù)石墨化升溫至2800度以上相對困難，且由于其生產(chǎn)過程密閉雜質氣化易使爐內(nèi)壓力過高。目前貝特瑞、山河智能等企業(yè)在嘗試突破中。
3.一體化加碼帶來降本空間，負極企業(yè)獲得盈利彈性
3.1 石墨化市場回顧：價格大幅上漲，負極企業(yè)盈利面臨壓力
石墨化漲價影響負極企業(yè)盈利，近期價格有所回落。2021年下半年開始，負極材料需求爆發(fā)疊加能耗雙控政策等因素推升石墨化價格迅速上漲，至2022年7月底石墨化價格已上漲至2.8萬元/噸，較2021年*低點價格上漲86.7%。從2021年和2022年上半年負極企業(yè)毛利率來看，由于負極漲價存在一定時滯且大部分企業(yè)石墨化自給率有限，負極材料企業(yè)毛利率均有所下滑，石墨化價格上漲對成本造成了一定的影響。進入2022年8月以來，石墨化價格減少1000元/噸至于2.7萬/噸，已有所回落。
3.2 一體化提升石墨自給率，負極企業(yè)盈利有望提升
石墨一體化推動負極企業(yè)降本突破。石墨化成本在人造石墨負極材料加工成本中占比約50%，早期負極材料企業(yè)主要以委外石墨化加工的方式生產(chǎn)，隨著頭部負極企業(yè)在負極諸多工序技術的逐漸成熟，石墨化工序成為成本控制的有力突破點。參考尚太科技招股說明書為例，若參考2020年企業(yè)經(jīng)營情況并假設石墨化價格/成本分別為2.00/1.00萬元/噸和2.50/1.00萬元/噸，則自給率從50%提升至70%將帶動相應毛利率分別提升8.66 pct/12.86 pct。
3.3 一體化投產(chǎn)釋放供給緩解信號，負極企業(yè)盈利有望修復
石墨一體化產(chǎn)能逐步落地將釋放供給緩解信號。考慮到22年下半年頭部負極材料企業(yè)石墨一體化產(chǎn)能的逐步投產(chǎn)，石墨化環(huán)節(jié)供需緊張的預期有望得到緩解，疊加石墨化行業(yè)自身產(chǎn)能端的釋放，我們預計，往后看石墨化價格將有所回落，推動負極企業(yè)盈利能力的改善。
石墨化價格下降對負極材料企業(yè)盈利提升顯著。我們選取璞泰來、杉杉股份、中科電氣、翔豐華、貝特瑞頭部五家負極材料企業(yè)，若假設石墨化價格分別下跌5%/10% 的情況，則相應毛利率將有望分別提升2.13%/0.48%/2.20%/1.75%/0.99%和4.27%/0.95%/4.40%/3.49%/ 1.97%，考慮到企業(yè)10-20%凈利率，則石墨化價格下降貢獻盈利端彈性明顯。
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