中國粉體網(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，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,。

隨著新能源汽車市場對動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)為是未來發(fā)展的方向,。硅擁有超過9倍于石墨材料的理論比容量，但存在體積膨脹較大的問題,，因此目前主要以硅碳摻雜材料為主,，例如特斯拉最新開發(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始出現(xiàn)裂縫時可通過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)揮越來越重要的作用。

然而,，盡管經(jīng)過了多年的研究,，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)展速度也相對較慢,。本文將對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,，通過控制激光的參數(shù)和反應(yīng)氣氛，還可以實(shí)現(xiàn)對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),，并且可以通過選擇不同的催化劑和反應(yīng)條件來控制碳納米管的管徑、長度和手性,。近年來,，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)�,；�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，制備過程中使用的催化劑和碳源等原材料也價格不菲,，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題。盡管研究人員已經(jīng)提出了一些方法來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,，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,。

3,、分散性和相容性問題

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,，也會影響復(fù)合材料的性能,。為了解決分散性和相容性問題，研究人員通常需要對碳納米管進(jìn)行表面修飾和功能化改性,，但這又會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,，對于單壁碳納米管的質(zhì)量評價,、性能測試等方面還缺乏統(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，對于推動單壁碳納米管的研究和應(yīng)用具有重要的意義,。

國內(nèi)外單壁碳納米管生產(chǎn)企業(yè)

‌國內(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)模化工業(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，產(chǎn)能規(guī)劃為每年120噸,，并且正在建設(shè)一個設(shè)計產(chǎn)能為3000噸/年的單壁碳納米管分散液工廠,。上海海逸科貿(mào)有限公司與沈陽匯晶納米科技有限公司，作為TUBALLTM BATT單壁碳納米管分散液的中國生產(chǎn)商,，近日聯(lián)合宣布將進(jìn)一步提升生產(chǎn)產(chǎn)能,，以更好地滿足客戶的訂單交付需求。這兩家公司長期以來為中國各大領(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)線已通過國內(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碳材料及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā),、生產(chǎn)及銷售，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)品受頭部動力電池企業(yè)客戶需求帶動,，占中國碳納米管導(dǎo)電漿料市場份額為46.7%,，位居國內(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)備開發(fā)中累積投入7000余萬元,，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)模化應(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驗(yàn)證通過,，可應(yīng)用于正極材料和硅碳負(fù)極材料。

結(jié)語

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)展速度相對較慢。為了推動單壁碳納米管的實(shí)際應(yīng)用,，未來需要進(jìn)一步加強(qiáng)對其制備方法,、性能調(diào)控、安全性評價等方面的研究,，同時也需要政府,、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半年度報告

道氏技術(shù)2024半年度報告

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利分析

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）

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