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細如發(fā)絲卻比鋼抗拉100倍，材料界的“六邊形戰(zhàn)士”碳納米管的行業(yè)現(xiàn)狀梳理 i

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-05-31 15:51:13

碳納米管因其卓越的理化特性，在新材料領域初步綻放風采，逐步實現(xiàn)工業(yè)化，也在鋰電池產(chǎn)業(yè)得到廣泛的應用，吸引了工業(yè)界越來越多的關注。

碳納米管長什么樣、如何制備出來、目前有哪些應用？

《三體》名場面“古箏行動”中，只有頭發(fā)絲1/10粗細的“納米飛刃”，把“審判日”號巨輪切割成“面包片”。“納米飛刃”在現(xiàn)實中尚不存在，但比較接近其原型的碳納米管的確有著超高強度特性。

“按照理論來說，碳納米管強度最高可達200Gpa，這意味著200根比頭發(fā)絲還細的碳納米管就可以拉起一輛汽車。”中國科學院蘇州納米所副所長、博士生導師李清文介紹，碳納米管是材料界當之無愧的“六邊形戰(zhàn)士”，兼具高分子和金屬的優(yōu)勢。其密度僅為鋼的1/6，但彈性模量是鋼的5倍，抗拉強度是鋼的100倍，常溫下熱導率也遠超其他金屬材料。

這種神奇的材料長啥樣？李清文解釋，碳納米管是由單層或多層石墨烯無縫卷曲而成的中空管狀結構，其卷曲角度不同，電學性質也不同，可展現(xiàn)出金屬性和半導體性，因此成為新型電子器件的重要基材。“目前碳納米管可以制備出粉體、纖維、薄膜、泡沫等多種形態(tài)，所面臨的共性難度在于如何實現(xiàn)穩(wěn)定均一、連續(xù)、規(guī)模化、低成本制備。”

從肉眼不可見的微觀材料，到實體化產(chǎn)品，碳納米管走過數(shù)十年道路。

一代代材料發(fā)展背后，是一代代材料人的接力攻堅。

中國科學院蘇州納米所“兵分兩路”，一隊研發(fā)碳納米管分離技術，為集成電路提供材料基礎；另一隊則負責將碳納米管加工成超級纖維和超輕高導電碳納米管薄膜材料，并開展產(chǎn)業(yè)化應用。

李清文回憶，“2000年初，碳納米管的合成工藝離工程化還有相當一段距離，當時的石墨烯研究熱也‘卷’走一批人，但在前輩們激勵和帶領下，我們繼續(xù)堅守碳納米管領域。”

經(jīng)過10余年努力，團隊突破碳納米管薄膜的連續(xù)批量制備關鍵技術，形成低成本、百萬平方米的高性能碳納米管薄膜產(chǎn)業(yè)化能力，自主研制碳納米管氣相連續(xù)成膜核心裝備，形成國際先進的薄膜產(chǎn)業(yè)化技術。2011年開始，為將碳納米管薄膜推向市場，蘇州捷迪納米科技有限公司應運而生。

“有同事曾經(jīng)把碳納米管薄膜帶回家，被家人誤以為是黑色塑料袋。”捷迪納米公司董事長梁青拿出一片巴掌大小的黑色薄膜笑道，這小小的一片薄膜包含有超過200億根碳納米管。如今，公司將碳納米管薄膜應用于智能穿戴加熱等領域，具有自主知識產(chǎn)權，研發(fā)水平全球領先。

帶電源鍵、智能控溫的保暖背心和防寒服，根據(jù)人體不同部位設計溫度區(qū)、與手機健康數(shù)據(jù)相連的智暖毯、暖宮帶、護腰帶……在捷迪納米公司，記者看到多款“植入”碳納米管的智能電加熱產(chǎn)品。“碳納米管薄膜超柔韌、超輕薄，被縫制在衣物夾層幾乎‘無感’，作為電熱轉換裝置的一部分，再搭配充電寶等外接電源使用，電熱轉換效率可達99.5%。特別之處在于，這些產(chǎn)品都耐水洗。”梁青說，公司研制出國際領先的耐水洗、長續(xù)時、高熱效電熱模組，實現(xiàn)國內僅有的碳納米管薄膜應用產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品先后榮獲“深圳高交會優(yōu)秀產(chǎn)品獎”“德國IF設計獎”等獎項，成為國內外30多家知名品牌首選合作方。

“隨著技術的突破，我們一年產(chǎn)量達到數(shù)十萬平方米，成本也接近有機膜。”李清文說，團隊持續(xù)對碳納米管的制備關鍵技術及工藝進行優(yōu)化，推動其產(chǎn)業(yè)化落地的進程，打通碳納米管薄膜從制備、性能調控到終端產(chǎn)品研發(fā)與應用的整條產(chǎn)業(yè)鏈。

碳納米管行業(yè)概覽

國內碳納米管用在動力電池上作為導電劑，其市場隨著動力電池產(chǎn)業(yè)的快速增長，規(guī)模已達到幾十億元每年，有多家國內外公司和上市公司已介入碳納米管導電劑領域，例如道氏技術、德方納米、美國卡博特等公司。隨著鋰電池高鎳正極、硅基負極和固態(tài)電池等新技術應用規(guī)模擴大，碳納米管的市場還會爆發(fā)式增長，單是在鋰電池領域就會成為每年百億級的市場。

導電劑在活性物質之間以及活性物質與集流體之間，起著收集微電流的作用，進而降低電極的接觸電阻，加速鋰電池中電子的遷移速率。

導電炭黑和碳納米管是兩種常用的導電劑，主要應用于電池的正極和部分負極。

導電炭黑主要通過球狀連接發(fā)揮作用，且材料成本相對較低；碳納米管通過線狀連接提升導電性，其材料價格稍高。

與傳統(tǒng)的導電炭黑相比，碳納米管能更進一步提升電池的倍率性能。

碳納米管是一種新型石墨材料，將CNT融入聚合物、陶瓷或金屬基體中，能顯著提升主體材料的導電性、導熱性等關鍵物理性質。

在硅基負極中，碳納米管導電漿料表現(xiàn)出色，高機械強度能夠提高硅基負極的穩(wěn)定性，而優(yōu)異的導電性能可以彌補硅基負極導電性差的缺點，同時還能有效緩解硅基負極在鋰離子脫嵌過程中的結構坍塌問題。

在鋰電池電極片制作過程中，碳納米管作為新型導電劑，能有效提高電池的能量密度和延長電池壽命。此外，碳納米管也能顯著提升導電塑料的導電性能和結構強度。

碳納米管生產(chǎn)現(xiàn)狀

巨大的碳納米管應用市場，就需要足夠的碳納米管生產(chǎn)能力來支撐以及低成本高質量的碳納米管的可持續(xù)供應，才能打開巨大的下游潛在應用市場。早期碳納米管的噸級生產(chǎn)是靠固定床/移動床設備來實現(xiàn)的，在水平放置的管式爐內，通過精巧的裝置，來實現(xiàn)催化劑和烴類原料的連續(xù)加入以及碳納米管產(chǎn)品的連續(xù)產(chǎn)出，可實現(xiàn)單臺設備每年噸級到幾十噸級的第一代碳納米管工廠的生產(chǎn)。截止到目前，對一些特殊種類的碳納米管，或者一些特殊原料作為碳源的碳納米管生產(chǎn)，使用固定床/移動床的第一代碳納米管工廠仍有部分市場空間。

為實現(xiàn)更大規(guī)模的碳納米管生產(chǎn)，以流化床為反應器的第二代碳納米管工廠，一定程度解決了更大規(guī)模的生產(chǎn)問題，單臺反應器年產(chǎn)能可達百噸級到幾百噸級。目前國內的碳納米管大規(guī)模生產(chǎn)，多家生產(chǎn)公司基本以流化床反應器為主。隨著更大規(guī)模生產(chǎn)要求的出現(xiàn)，流化床反應器具有的：1、不能按比例放大；2、容易積碳、結焦堵塞反應器；3、停爐清理反應器困難、耗時周期長等問題，嚴重制約了流化床反應器的單臺產(chǎn)能擴大。目前行業(yè)內流化床反應器的內徑基本以500mm\600mm\800mm為主，進一步擴大的難度很大。

“新材料是帶動產(chǎn)業(yè)變革的重要引擎。”李清文表示，新質生產(chǎn)力具有高科技、高效能、高質量的特征，能夠帶動新產(chǎn)業(yè)發(fā)展，其中高效能又著重體現(xiàn)在更節(jié)能、更綠色。“碳納米管的應用和產(chǎn)業(yè)化還有很長的路要走，我們希望通過自主研發(fā)的技術，讓碳納米管走進千行百業(yè)、服務千家萬戶。”

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