中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳納米管屬于一種一維納米材料，其可被認(rèn)為是由石墨烯片層卷曲而成，單層石墨烯可以卷曲形成單壁碳納米管，多層石墨烯可以卷曲形成多壁碳納米管。碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中，單壁碳納米管（Single-walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）更是因其具有極高的長(zhǎng)徑比、出色的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能等，在鋰電池正負(fù)極中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。
隨著新能源汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)動(dòng)力鋰電池能量密度要求逐漸提高，各大電池企業(yè)均在尋求新的技術(shù)路線(xiàn)以實(shí)現(xiàn)電池性能的突破。在負(fù)極材料端，傳統(tǒng)的以石墨作為負(fù)極材料的技術(shù)路線(xiàn)已經(jīng)接近石墨材料本身理論比容量的上限。為進(jìn)一步提升電池的能量密度，硅負(fù)極被普遍認(rèn)為是未來(lái)發(fā)展的方向。硅擁有超過(guò)9倍于石墨材料的理論比容量，但存在體積膨脹較大的問(wèn)題，因此目前主要以硅碳摻雜材料為主，例如特斯拉最新開(kāi)發(fā)的4680電池就使用硅碳摻雜材料作為負(fù)極。
為進(jìn)一步提升硅負(fù)極的應(yīng)用，目前碳納米管被認(rèn)為是解決硅負(fù)極膨脹性最優(yōu)的材料。由于碳納米管本身具有的一維線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)，其能夠在硅顆粒表面及硅顆粒之間建立點(diǎn)線(xiàn)接觸式的高度導(dǎo)電、緊密的連接，在硅負(fù)極顆粒體積膨脹并開(kāi)始出現(xiàn)裂縫時(shí)可通過(guò)碳納米管保持良好連接，減少材料破裂，維持負(fù)極的穩(wěn)定。隨著硅基負(fù)極的發(fā)展，碳納米管導(dǎo)電劑將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
然而，盡管經(jīng)過(guò)了多年的研究，單壁碳納米管的實(shí)際應(yīng)用仍面臨著一些挑戰(zhàn)，其發(fā)展速度也相對(duì)較慢。本文將對(duì)單壁碳納米管的制備方法進(jìn)行探討，分析其研究進(jìn)展以及發(fā)展緩慢的原因。
單壁碳納米管的制備方法
1. 電弧放電法
電弧放電法是最早用于制備碳納米管的方法之一。通過(guò)在惰性氣體氛圍中，利用電弧放電產(chǎn)生的高溫使碳源蒸發(fā)并形成碳納米管。研究人員通過(guò)優(yōu)化電弧放電的工藝參數(shù)，如電流、電壓、氣氛等，提高了單壁碳納米管的產(chǎn)率和質(zhì)量。
2. 激光燒蝕法
激光燒蝕法是利用高能量的激光束照射碳靶，使其蒸發(fā)并形成碳納米管。與電弧放電法相比，激光燒蝕法可以制備出管徑分布更窄、結(jié)構(gòu)更均勻的單壁碳納米管。此外，通過(guò)控制激光的參數(shù)和反應(yīng)氣氛，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管手性的一定程度的控制。
3. 化學(xué)氣相沉積法（CVD）
CVD法是目前制備單壁碳納米管最常用的方法之一。該方法通過(guò)在高溫下，使碳源氣體在催化劑的作用下分解并形成碳納米管。CVD法具有成本低、可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過(guò)選擇不同的催化劑和反應(yīng)條件來(lái)控制碳納米管的管徑、長(zhǎng)度和手性。近年來(lái)，研究人員在CVD法的基礎(chǔ)上發(fā)展了多種新型的制備技術(shù)，如浮動(dòng)催化劑CVD法、等離子體增強(qiáng)CVD法等，進(jìn)一步提高了單壁碳納米管的制備效率和質(zhì)量。
單壁碳納米管規(guī)模化發(fā)展緩慢的原因
1、制備成本高
目前，單壁碳納米管的制備方法仍然存在一些問(wèn)題，導(dǎo)致其制備成本較高。例如，電弧放電法和激光燒蝕法需要高能量的設(shè)備和復(fù)雜的工藝，成本較高；CVD 法雖然成本相對(duì)較低，但要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量的制備，仍然需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝和降低成本。此外，制備過(guò)程中使用的催化劑和碳源等原材料也價(jià)格不菲，這也限制了單壁碳納米管的大規(guī)模應(yīng)用。
2、管徑和手性控制困難
單壁碳納米管的性能與其管徑和手性密切相關(guān)，然而目前對(duì)單壁碳納米管的管徑和手性控制仍然存在很大的困難。不同管徑和手性的碳納米管具有不同的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，要實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管性能的精確調(diào)控，就必須解決管徑和手性控制的問(wèn)題。盡管研究人員已經(jīng)提出了一些方法來(lái)控制碳納米管的管徑和手性，但這些方法仍然存在很多局限性，難以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。
3、分散性和相容性問(wèn)題
單壁碳納米管在大多數(shù)溶劑和基體材料中的分散性和相容性較差，這也限制了其在復(fù)合材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。由于碳納米管之間存在較強(qiáng)的范德華力，容易團(tuán)聚在一起，難以均勻地分散在基體材料中。此外，碳納米管與基體材料之間的界面結(jié)合強(qiáng)度較低，也會(huì)影響復(fù)合材料的性能。為了解決分散性和相容性問(wèn)題，研究人員通常需要對(duì)碳納米管進(jìn)行表面修飾和功能化改性，但這又會(huì)增加制備成本和工藝復(fù)雜性。
4、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
目前，對(duì)于單壁碳納米管的質(zhì)量評(píng)價(jià)、性能測(cè)試等方面還缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，這也給其研究和應(yīng)用帶來(lái)了一定的困難。不同的研究團(tuán)隊(duì)可能采用不同的制備方法和測(cè)試手段，導(dǎo)致結(jié)果的可比性和重復(fù)性較差。建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)于推動(dòng)單壁碳納米管的研究和應(yīng)用具有重要的意義。
國(guó)內(nèi)外單壁碳納米管生產(chǎn)企業(yè)
國(guó)內(nèi)外制備單壁碳納米管的主要企業(yè)包括OCSiAl、天奈科技、道氏技術(shù)等。
1、OCSiAl
OCSiAl是全球唯一一家擁有規(guī)�；I(yè)合成單壁碳納米管技術(shù)的科技公司，總部位于盧森堡。該公司已經(jīng)在塞爾維亞貝爾格萊德附近設(shè)立了生產(chǎn)工廠(chǎng)，產(chǎn)能規(guī)劃為每年120噸，并且正在建設(shè)一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)能為3000噸/年的單壁碳納米管分散液工廠(chǎng)。上海海逸科貿(mào)有限公司與沈陽(yáng)匯晶納米科技有限公司，作為T(mén)UBALLTM BATT單壁碳納米管分散液的中國(guó)生產(chǎn)商，近日聯(lián)合宣布將進(jìn)一步提升生產(chǎn)產(chǎn)能，以更好地滿(mǎn)足客戶(hù)的訂單交付需求。這兩家公司長(zhǎng)期以來(lái)為中國(guó)各大領(lǐng)先的電池制造商供應(yīng)高品質(zhì)的單壁碳納米管分散液，所有產(chǎn)品均依照OCSiAl的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，且兩家公司的生產(chǎn)線(xiàn)已通過(guò)國(guó)內(nèi)外眾多電池制造商的審查。
2、天奈科技
天奈科技主要從事納米級(jí)碳材料及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)及銷(xiāo)售，產(chǎn)品包括碳納米管粉體、碳納米管導(dǎo)電漿料等。2023年，天奈科技碳納米管導(dǎo)電漿料產(chǎn)品受頭部動(dòng)力電池企業(yè)客戶(hù)需求帶動(dòng)，占中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料市場(chǎng)份額為46.7%，位居國(guó)內(nèi)碳納米管供應(yīng)行業(yè)第一，并且是全球極少數(shù)具備單壁碳納米管量產(chǎn)能力的企業(yè)之一。公司研制的單壁碳納米管產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在單壁碳納米管產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的空白，在單/雙壁碳納米管批量生產(chǎn)工藝與設(shè)備開(kāi)發(fā)中累積投入7000余萬(wàn)元，項(xiàng)目已進(jìn)入中試階段。公司單壁碳納米管已小批量供貨用于下游客戶(hù)新產(chǎn)品的研發(fā)、驗(yàn)證及應(yīng)用。
3、道氏技術(shù)
道氏技術(shù)聚焦新材料業(yè)務(wù)，專(zhuān)注材料創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新，業(yè)務(wù)布局已形成“碳材料+鋰電材料+陶瓷材料+戰(zhàn)略資源”的新格局。公司碳材料產(chǎn)品主要為碳納米管導(dǎo)電劑和石墨烯導(dǎo)電劑，由于單壁碳納米管是硅碳負(fù)極規(guī)�；瘧�(yīng)用所必需的核心材料，公司依托于深厚的技術(shù)積累與沉淀，將業(yè)務(wù)延伸至人造石墨負(fù)極材料，并規(guī)劃了技術(shù)先進(jìn)的硅基負(fù)極材料一體化研發(fā)生產(chǎn)體系。目前第五代單壁碳納米管已有客戶(hù)驗(yàn)證通過(guò)，可應(yīng)用于正極材料和硅碳負(fù)極材料。
結(jié)語(yǔ)
單壁碳納米管作為一種具有巨大應(yīng)用潛力的新型材料，在電子、能源、復(fù)合材料等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一定的研究進(jìn)展。然而，由于其制備成本高、管徑和手性控制困難、分散性和相容性問(wèn)題以及缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等原因，其發(fā)展速度相對(duì)較慢。為了推動(dòng)單壁碳納米管的實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其制備方法、性能調(diào)控、安全性評(píng)價(jià)等方面的研究，同時(shí)也需要政府、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)等各方的共同努力，加大投入，加強(qiáng)合作，制定相關(guān)的政策和標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)單壁碳納米管產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
參考來(lái)源：
巨潮資訊網(wǎng)，雪球網(wǎng)，金融界
天奈科技官網(wǎng)和2024半年度報(bào)告
道氏技術(shù)2024半年度報(bào)告
黃少真等：化學(xué)氣相沉積法合成碳納米管及其在鋰離子電池的應(yīng)用研究
袁佩玲等：新能源電池領(lǐng)域?qū)щ妱┘夹g(shù)的研究與產(chǎn)業(yè)化
宋倩倩：碳納米管制備方法專(zhuān)利分析
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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