细如发丝却比钢抗拉100倍，材料界的“六边形战士”碳纳米管的行业现状梳理 i-山东化工网

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细如发丝却比钢抗拉100倍，材料界的“六边形战士”碳纳米管的行业现状梳理 i

文章来源：贤集网更新时间：2024-05-31 15:51:13

碳纳米管因其卓越的理化特性，在新材料领域初步绽放风采，逐步实现工业化，也在锂电池产业得到广泛的应用，吸引了工业界越来越多的关注。

碳纳米管长什么样、如何制备出来、目前有哪些应用？

《三体》名场面“古筝行动”中，只有头发丝1/10粗细的“纳米飞刃”，把“审判日”号巨轮切割成“面包片”。“纳米飞刃”在现实中尚不存在，但比较接近其原型的碳纳米管的确有着超高强度特性。

“按照理论来说，碳纳米管强度最高可达200Gpa，这意味着200根比头发丝还细的碳纳米管就可以拉起一辆汽车。”中国科学院苏州纳米所副所长、博士生导师李清文介绍，碳纳米管是材料界当之无愧的“六边形战士”，兼具高分子和金属的优势。其密度仅为钢的1/6，但弹性模量是钢的5倍，抗拉强度是钢的100倍，常温下热导率也远超其他金属材料。

这种神奇的材料长啥样？李清文解释，碳纳米管是由单层或多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构，其卷曲角度不同，电学性质也不同，可展现出金属性和半导体性，因此成为新型电子器件的重要基材。“目前碳纳米管可以制备出粉体、纤维、薄膜、泡沫等多种形态，所面临的共性难度在于如何实现稳定均一、连续、规模化、低成本制备。”

从肉眼不可见的微观材料，到实体化产品，碳纳米管走过数十年道路。

一代代材料发展背后，是一代代材料人的接力攻坚。

中国科学院苏州纳米所“兵分两路”，一队研发碳纳米管分离技术，为集成电路提供材料基础；另一队则负责将碳纳米管加工成超级纤维和超轻高导电碳纳米管薄膜材料，并开展产业化应用。

李清文回忆，“2000年初，碳纳米管的合成工艺离工程化还有相当一段距离，当时的石墨烯研究热也‘卷’走一批人，但在前辈们激励和带领下，我们继续坚守碳纳米管领域。”

经过10余年努力，团队突破碳纳米管薄膜的连续批量制备关键技术，形成低成本、百万平方米的高性能碳纳米管薄膜产业化能力，自主研制碳纳米管气相连续成膜核心装备，形成国际先进的薄膜产业化技术。2011年开始，为将碳纳米管薄膜推向市场，苏州捷迪纳米科技有限公司应运而生。

“有同事曾经把碳纳米管薄膜带回家，被家人误以为是黑色塑料袋。”捷迪纳米公司董事长梁青拿出一片巴掌大小的黑色薄膜笑道，这小小的一片薄膜包含有超过200亿根碳纳米管。如今，公司将碳纳米管薄膜应用于智能穿戴加热等领域，具有自主知识产权，研发水平全球领先。

带电源键、智能控温的保暖背心和防寒服，根据人体不同部位设计温度区、与手机健康数据相连的智暖毯、暖宫带、护腰带……在捷迪纳米公司，记者看到多款“植入”碳纳米管的智能电加热产品。“碳纳米管薄膜超柔韧、超轻薄，被缝制在衣物夹层几乎‘无感’，作为电热转换装置的一部分，再搭配充电宝等外接电源使用，电热转换效率可达99.5%。特别之处在于，这些产品都耐水洗。”梁青说，公司研制出国际领先的耐水洗、长续时、高热效电热模组，实现国内仅有的碳纳米管薄膜应用产业化，产品先后荣获“深圳高交会优秀产品奖”“德国IF设计奖”等奖项，成为国内外30多家知名品牌首选合作方。

“随着技术的突破，我们一年产量达到数十万平方米，成本也接近有机膜。”李清文说，团队持续对碳纳米管的制备关键技术及工艺进行优化，推动其产业化落地的进程，打通碳纳米管薄膜从制备、性能调控到终端产品研发与应用的整条产业链。

碳纳米管行业概览

国内碳纳米管用在动力电池上作为导电剂，其市场随着动力电池产业的快速增长，规模已达到几十亿元每年，有多家国内外公司和上市公司已介入碳纳米管导电剂领域，例如道氏技术、德方纳米、美国卡博特等公司。随着锂电池高镍正极、硅基负极和固态电池等新技术应用规模扩大，碳纳米管的市场还会爆发式增长，单是在锂电池领域就会成为每年百亿级的市场。

导电剂在活性物质之间以及活性物质与集流体之间，起着收集微电流的作用，进而降低电极的接触电阻，加速锂电池中电子的迁移速率。

导电炭黑和碳纳米管是两种常用的导电剂，主要应用于电池的正极和部分负极。

导电炭黑主要通过球状连接发挥作用，且材料成本相对较低；碳纳米管通过线状连接提升导电性，其材料价格稍高。

与传统的导电炭黑相比，碳纳米管能更进一步提升电池的倍率性能。

碳纳米管是一种新型石墨材料，将CNT融入聚合物、陶瓷或金属基体中，能显著提升主体材料的导电性、导热性等关键物理性质。

在硅基负极中，碳纳米管导电浆料表现出色，高机械强度能够提高硅基负极的稳定性，而优异的导电性能可以弥补硅基负极导电性差的缺点，同时还能有效缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中的结构坍塌问题。

在锂电池电极片制作过程中，碳纳米管作为新型导电剂，能有效提高电池的能量密度和延长电池寿命。此外，碳纳米管也能显著提升导电塑料的导电性能和结构强度。

碳纳米管生产现状

巨大的碳纳米管应用市场，就需要足够的碳纳米管生产能力来支撑以及低成本高质量的碳纳米管的可持续供应，才能打开巨大的下游潜在应用市场。早期碳纳米管的吨级生产是靠固定床/移动床设备来实现的，在水平放置的管式炉内，通过精巧的装置，来实现催化剂和烃类原料的连续加入以及碳纳米管产品的连续产出，可实现单台设备每年吨级到几十吨级的第一代碳纳米管工厂的生产。截止到目前，对一些特殊种类的碳纳米管，或者一些特殊原料作为碳源的碳纳米管生产，使用固定床/移动床的第一代碳纳米管工厂仍有部分市场空间。

为实现更大规模的碳纳米管生产，以流化床为反应器的第二代碳纳米管工厂，一定程度解决了更大规模的生产问题，单台反应器年产能可达百吨级到几百吨级。目前国内的碳纳米管大规模生产，多家生产公司基本以流化床反应器为主。随着更大规模生产要求的出现，流化床反应器具有的：1、不能按比例放大；2、容易积碳、结焦堵塞反应器；3、停炉清理反应器困难、耗时周期长等问题，严重制约了流化床反应器的单台产能扩大。目前行业内流化床反应器的内径基本以500mm\600mm\800mm为主，进一步扩大的难度很大。

“新材料是带动产业变革的重要引擎。”李清文表示，新质生产力具有高科技、高效能、高质量的特征，能够带动新产业发展，其中高效能又着重体现在更节能、更绿色。“碳纳米管的应用和产业化还有很长的路要走，我们希望通过自主研发的技术，让碳纳米管走进千行百业、服务千家万户。”

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