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不同類型的導(dǎo)電劑由于空間結(jié)構(gòu)、產(chǎn)物形貌、接觸面積的不同，對(duì)鋰電池的能量密度、倍率性能、壽命性能和高低溫性能產(chǎn)生不同的影響。其中碳納米管具有導(dǎo)電性能優(yōu)良、添加量小、阻抗低等優(yōu)點(diǎn)。
有利于提高鋰離子電池的能量密度，改善電池的循環(huán)壽命性能，有望加速替代傳統(tǒng)導(dǎo)電劑。本文將帶您進(jìn)一步了解碳納米管。
什么是碳納米管
碳納米管（CNT）是一種典型的一維納米材料。碳納米管是結(jié)晶碳的同位素，結(jié)構(gòu)上呈蜂窩狀一維中空納米管，其中CC原子以sp2雜化形成共價(jià)鍵。
根據(jù)碳納米管的壁數(shù)，可分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。根據(jù)碳納米管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為扶手椅型、鋸齒型和螺旋型三種。螺旋碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅形碳納米管不具有手性。
碳納米管的性能優(yōu)勢(shì)
●最高比強(qiáng)度：
連接碳納米管中碳原子的共價(jià)鍵是自然界中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵。碳納米管具有極高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量。同時(shí)，碳納米管的密度僅為鋼的1/6，是目前可以制備的比強(qiáng)度最高的材料。
●靈活性強(qiáng)：
碳納米管堅(jiān)固但不易碎。當(dāng)對(duì)碳納米管進(jìn)行彎曲或沿軸向施加壓力時(shí)，即使外力超過歐拉強(qiáng)度極限或彎曲強(qiáng)度，碳納米管也不會(huì)斷裂，而是首先發(fā)生大角度彎曲，并且當(dāng)外力釋放后，碳納米管恢復(fù)到原來的形狀。
●導(dǎo)電性好：
碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片狀結(jié)構(gòu)相同，具有良好的導(dǎo)電性。碳納米管的電阻與其長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，電子穿過碳納米管時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱量來加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號(hào)在光纖電纜中的傳輸一樣，能量損失小，是優(yōu)良的電池導(dǎo)體。
●良好的儲(chǔ)氫性能：
碳納米管本身具有較高的比表面積，經(jīng)過處理后，具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力。
●優(yōu)越的嵌鋰性能：
碳納米管的中空管腔、管間間隙、管壁層間間隙以及管結(jié)構(gòu)中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲(chǔ)空間和傳輸通道。
●化學(xué)穩(wěn)定性：
碳納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸、耐堿的特性。在聚合物復(fù)合材料中添加碳納米管，可以提高材料本身的耐酸性和抗氧化性。
碳納米管的應(yīng)用
從碳納米管產(chǎn)業(yè)鏈來看，產(chǎn)業(yè)鏈上游是石油化工行業(yè)，主要原材料是丙烯、NMP、分散劑等。中游碳納米管導(dǎo)電劑主要包括導(dǎo)電漿料和導(dǎo)電母粒，分別用于鋰電池和化工企業(yè)。
具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)良性能。其下游應(yīng)用主要涵蓋新能源汽車產(chǎn)業(yè)、3C數(shù)碼產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、儲(chǔ)能電站及電力基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域以及化工企業(yè)導(dǎo)電塑料企業(yè)。
碳納米管的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用需求主要來自鋰電池和導(dǎo)電塑料領(lǐng)域，其中80%以上的需求來自于鋰電池。碳納米管和石墨烯屬于新型導(dǎo)電劑材料。碳納米管在活性材料之間形成線接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，石墨烯在活性材料之間形成面接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。
從碳納米管下游需求結(jié)構(gòu)占比來看，鋰電池服務(wù)行業(yè)占比較重，達(dá)到86%；導(dǎo)電塑料企業(yè)占比較低，僅占14%。
碳納米管的制備方法
碳納米管的合成方法主要有三種：電弧放電法、激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法。其中，電弧放電法反應(yīng)溫度高，碳納米管生長(zhǎng)速率快，且制備參數(shù)不易控制，因此其精細(xì)結(jié)構(gòu)難以控制。
由于激光蒸發(fā)法價(jià)格昂貴、設(shè)備復(fù)雜，目前較少采用。化學(xué)氣相沉積（CVD）是分解含碳化合物提供碳源，然后在金屬催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)碳納米管的生長(zhǎng)。該方法生長(zhǎng)溫度低、參數(shù)易調(diào)整、產(chǎn)品收率高、碳純度高，是目前業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。
圓弧法
電弧法是最早用于制備碳納米管的方法，也是最重要的方法。其主要技術(shù)是：在一定壓力下向真空容器內(nèi)充入惰性氣體或氫氣，采用摻雜催化劑（金屬尖、鉆頭、鐵等）的石墨作為電極。當(dāng)陽(yáng)極石墨在電弧放電過程中蒸發(fā)并消耗時(shí)，碳納米管沉積在陰極石墨電極上，從而產(chǎn)生碳納米管。
激光蒸鍍法
其原理是利用激光束照射含有金環(huán)的石墨靶材使其蒸發(fā)，同時(shí)與一定的反應(yīng)氣體結(jié)合，使碳納米管沉積在基板和反應(yīng)腔壁上。
催化熱解
又稱化學(xué)氣相沉積，含碳?xì)怏w流經(jīng)催化劑納米粒子表面時(shí)分解生成碳原子，在催化劑表面形成碳納米管。催化熱解法根據(jù)催化劑存在方式的不同又分為基質(zhì)法和漂浮法。
基質(zhì)法以石墨或陶瓷為載體，將催化劑附著在其上，在高溫下通入含碳?xì)怏w，使其分解，在催化劑顆粒上生長(zhǎng)碳納米管。浮選法是將催化劑前驅(qū)體直接加熱使其氣態(tài)，同時(shí)與氣態(tài)氫氣一起引入反應(yīng)室，在不同溫度區(qū)分別分解，分解后的催化劑原子逐漸聚集成納米級(jí)。尺寸顆粒，漂浮在反應(yīng)空間中的分解碳原子沉淀在催化劑顆粒上形成碳納米管。
碳納米管市場(chǎng)格局
從全球碳納米管市場(chǎng)需求來看，碳納米管市場(chǎng)需求持續(xù)增加。數(shù)據(jù)顯示，2019年全球碳納米管粉末和碳納米管漿料需求量分別為1萬(wàn)噸和3萬(wàn)噸。
2020年全球碳納米管粉末和漿料需求量分別為2萬(wàn)噸和4萬(wàn)噸。2021年，全球碳納米管粉末和漿料需求量將分別為4000噸和9萬(wàn)噸。預(yù)計(jì)到2025年，全球市場(chǎng)碳納米管粉體需求量將達(dá)到2.4萬(wàn)噸，碳納米管漿料需求量將達(dá)到59萬(wàn)噸。
碳納米管核心技術(shù)指標(biāo)
兩個(gè)核心指標(biāo)：碳納米管的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)徑比）和碳純度。碳納米管長(zhǎng)徑比的增加有利于提高其導(dǎo)電率，可以進(jìn)一步提高鋰電池的倍率性能，并且可以通過較少的添加來增加正極活性材料的含量，從而提高能量密度。
碳純度：金屬雜質(zhì)（特別是鐵）會(huì)增加動(dòng)力鋰電池的自放電，增加電池的安全隱患。因此，動(dòng)力鋰電池對(duì)碳納米管導(dǎo)電劑的純度要求較高。
碳納米管快速發(fā)展的障礙
現(xiàn)階段碳納米管價(jià)格較高，下游接受需要一個(gè)過程。未來，隨著市場(chǎng)接受度的提高和規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化的普及，碳納米管導(dǎo)電劑價(jià)格的持續(xù)下降，有望加速碳納米管對(duì)炭黑的替代進(jìn)程。預(yù)計(jì)到2025年，碳納米管的市場(chǎng)份額將超過炭黑，成為市場(chǎng)主流。
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來源：鋰電材料公眾號(hào)
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