【原创】单壁碳纳米管何时才能规模化应用？

中国粉体网讯  碳纳米管属于一种一维纳米材料，其可被认为是由石墨烯片层卷曲而成，单层石墨烯可以卷曲形成单壁碳纳米管，多层石墨烯可以卷曲形成多壁碳纳米管。碳纳米管自被发现以来，因其独特的结构和优异的性能，成为了材料科学领域的研究热点。其中，单壁碳纳米管（Single-walled Carbon Nanotubes，SWCNTs）更是因其具有极高的长径比、出色的电学、热学和力学性能等，在锂电池正负极中展现出了巨大的应用潜力。

随着新能源汽车市场对动力锂电池能量密度要求逐渐提高，各大电池企业均在寻求新的技术路线以实现电池性能的突破。在负极材料端，传统的以石墨作为负极材料的技术路线已经接近石墨材料本身理论比容量的上限。为进一步提升电池的能量密度，硅负极被普遍认为是未来发展的方向。硅拥有超过9倍于石墨材料的理论比容量，但存在体积膨胀较大的问题，因此目前主要以硅碳掺杂材料为主，例如特斯拉最新开发的4680电池就使用硅碳掺杂材料作为负极。

为进一步提升硅负极的应用，目前碳纳米管被认为是解决硅负极膨胀性最优的材料。由于碳纳米管本身具有的一维线状结构，其能够在硅颗粒表面及硅颗粒之间建立点线接触式的高度导电、紧密的连接，在硅负极颗粒体积膨胀并开始出现裂缝时可通过碳纳米管保持良好连接，减少材料破裂，维持负极的稳定。随着硅基负极的发展，碳纳米管导电剂将发挥越来越重要的作用。

然而，尽管经过了多年的研究，单壁碳纳米管的实际应用仍面临着一些挑战，其发展速度也相对较慢。本文将对单壁碳纳米管的制备方法进行探讨，分析其研究进展以及发展缓慢的原因。

单壁碳纳米管的制备方法

1. 电弧放电法

电弧放电法是最早用于制备碳纳米管的方法之一。通过在惰性气体氛围中，利用电弧放电产生的高温使碳源蒸发并形成碳纳米管。研究人员通过优化电弧放电的工艺参数，如电流、电压、气氛等，提高了单壁碳纳米管的产率和质量。

2. 激光烧蚀法

激光烧蚀法是利用高能量的激光束照射碳靶，使其蒸发并形成碳纳米管。与电弧放电法相比，激光烧蚀法可以制备出管径分布更窄、结构更均匀的单壁碳纳米管。此外，通过控制激光的参数和反应气氛，还可以实现对碳纳米管手性的一定程度的控制。

3. 化学气相沉积法（CVD）

CVD法是目前制备单壁碳纳米管最常用的方法之一。该方法通过在高温下，使碳源气体在催化剂的作用下分解并形成碳纳米管。CVD法具有成本低、可大规模制备等优点，并且可以通过选择不同的催化剂和反应条件来控制碳纳米管的管径、长度和手性。近年来，研究人员在CVD法的基础上发展了多种新型的制备技术，如浮动催化剂CVD法、等离子体增强CVD法等，进一步提高了单壁碳纳米管的制备效率和质量。

单壁碳纳米管规模化发展缓慢的原因

1、制备成本高

目前，单壁碳纳米管的制备方法仍然存在一些问题，导致其制备成本较高。例如，电弧放电法和激光烧蚀法需要高能量的设备和复杂的工艺，成本较高；CVD 法虽然成本相对较低，但要实现大规模、高质量的制备，仍然需要进一步优化工艺和降低成本。此外，制备过程中使用的催化剂和碳源等原材料也价格不菲，这也限制了单壁碳纳米管的大规模应用。

2、管径和手性控制困难

单壁碳纳米管的性能与其管径和手性密切相关，然而目前对单壁碳纳米管的管径和手性控制仍然存在很大的困难。不同管径和手性的碳纳米管具有不同的电学、热学和力学性能，要实现对碳纳米管性能的精确调控，就必须解决管径和手性控制的问题。尽管研究人员已经提出了一些方法来控制碳纳米管的管径和手性，但这些方法仍然存在很多局限性，难以满足实际应用的需求。

3、分散性和相容性问题

单壁碳纳米管在大多数溶剂和基体材料中的分散性和相容性较差，这也限制了其在复合材料等领域的应用。由于碳纳米管之间存在较强的范德华力，容易团聚在一起，难以均匀地分散在基体材料中。此外，碳纳米管与基体材料之间的界面结合强度较低，也会影响复合材料的性能。为了解决分散性和相容性问题，研究人员通常需要对碳纳米管进行表面修饰和功能化改性，但这又会增加制备成本和工艺复杂性。

4、缺乏统一的标准和规范

目前，对于单壁碳纳米管的质量评价、性能测试等方面还缺乏统一的标准和规范，这也给其研究和应用带来了一定的困难。不同的研究团队可能采用不同的制备方法和测试手段，导致结果的可比性和重复性较差。建立统一的标准和规范，对于推动单壁碳纳米管的研究和应用具有重要的意义。

国内外单壁碳纳米管生产企业

‌国内外制备单壁碳纳米管的主要企业包括OCSiAl、天奈科技、道氏技术等。‌

1、OCSiAl

OCSiAl是全球唯一一家拥有规模化工业合成单壁碳纳米管技术的科技公司，总部位于卢森堡。该公司已经在塞尔维亚贝尔格莱德附近设立了生产工厂，产能规划为每年120吨，并且正在建设一个设计产能为3000吨/年的单壁碳纳米管分散液工厂。上海海逸科贸有限公司与沈阳汇晶纳米科技有限公司，作为TUBALLTM BATT单壁碳纳米管分散液的中国生产商，近日联合宣布将进一步提升生产产能，以更好地满足客户的订单交付需求。这两家公司长期以来为中国各大领先的电池制造商供应高品质的单壁碳纳米管分散液，所有产品均依照OCSiAl的严格质量标准进行生产，且两家公司的生产线已通过国内外众多电池制造商的审查。

2、天奈科技

天奈科技主要从事纳米级碳材料及相关产品的研发、生产及销售，产品包括碳纳米管粉体、碳纳米管导电浆料等。2023年，天奈科技碳纳米管导电浆料产品受头部动力电池企业客户需求带动，占中国碳纳米管导电浆料市场份额为46.7%，位居国内碳纳米管供应行业第一，并且是全球极少数具备单壁碳纳米管量产能力的企业之一。公司研制的单壁碳纳米管产品，填补国内在单壁碳纳米管产业化领域的空白，在单/双壁碳纳米管批量生产工艺与设备开发中累积投入7000余万元，项目已进入中试阶段。公司单壁碳纳米管已小批量供货用于下游客户新产品的研发、验证及应用。

3、道氏技术

道氏技术聚焦新材料业务，专注材料创新、工艺创新、产品创新，业务布局已形成“碳材料+锂电材料+陶瓷材料+战略资源”的新格局。公司碳材料产品主要为碳纳米管导电剂和石墨烯导电剂，由于单壁碳纳米管是硅碳负极规模化应用所必需的核心材料，公司依托于深厚的技术积累与沉淀，将业务延伸至人造石墨负极材料，并规划了技术先进的硅基负极材料一体化研发生产体系。目前第五代单壁碳纳米管已有客户验证通过，可应用于正极材料和硅碳负极材料。

结语

单壁碳纳米管作为一种具有巨大应用潜力的新型材料，在电子、能源、复合材料等领域已经取得了一定的研究进展。然而，由于其制备成本高、管径和手性控制困难、分散性和相容性问题以及缺乏统一的标准和规范等原因，其发展速度相对较慢。为了推动单壁碳纳米管的实际应用，未来需要进一步加强对其制备方法、性能调控、安全性评价等方面的研究，同时也需要政府、企业和科研机构等各方的共同努力，加大投入，加强合作，制定相关的政策和标准，促进单壁碳纳米管产业的健康发展。

参考来源：

巨潮资讯网，雪球网，金融界

天奈科技官网和2024半年度报告

道氏技术2024半年度报告

黄少真等：化学气相沉积法合成碳纳米管及其在锂离子电池的应用研究

袁佩玲等：新能源电池领域导电剂技术的研究与产业化

宋倩倩：碳纳米管制备方法专利分析

（中国粉体网编辑整理/留白）

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