碳纳米管行业市场分析

碳纳米管行业市场分析第一节碳纳米管行业概述分析一、碳纳米管行业概述碳纳米管，英文简称CNT，属于富勒碳系，其长度为微米级，直径为纳米级，最富特征的一维纳米材料。在宏观尺度上看，碳纳米管是黑色粉末，在微观尺度上，碳纳米管是由同轴碳管组成的碳分子。每层碳管由碳原子按六边形密铺而成，与石墨烯的层状结构类似，层与层之间则保持约0.34nm的固定距离。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多，是目前已知的熔点最高的材料。碳纳米管根据不同的特征分为不同的类别，商业化角度通常按管壁的层数和导电性对其进行分类。按照碳管的层数，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；就其导电性而言，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根碳纳米管上的不同部位也可以呈现出不同的导电性。因而根据导电性质的差异可将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。二、碳纳米管性能优势分析碳纳米管独特的结构和化学键，赋予了它独特的力学、电学、热学和化学性能，使得它在多个领域均可以有广泛的应用。（1）最高的比强度：连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界最稳定的化学键。碳纳米管有极高的抗拉强度和弹性模量，与此同时，碳纳米管的密度却只有钢的1/6，是目前可以制备出的具有最高比强度的材料。（2）强柔韧性：碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时，即使外力超过Euler强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，当外力释放后，碳纳米管又恢复原状。（3）良好的导电性：碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻和其长度及直径无关，电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样，能量损失微小，是优良的电池导电剂。（4）优异的导热性：碳纳米管具有极高的导热率，室温下导热率是金刚石的2倍，是目前已知的最好的导热材料。此外，碳纳米管轴向方向的热交换性能很高，径向方向的热交换性能则较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。（5）储氢性能良好：碳纳米管本身具有高比表面积，再经过处理后具有优异的储氢能力。（6）优越的嵌锂特性：碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。7）化学稳定性：碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。第二节碳纳米管行业产业链分析从碳纳米管产业链来看，产业链上游是石油化工行业，主要原材料是丙烯、液氮；中游碳纳米管生产包括导电浆料和导电母粒；下游碳纳米管导电浆料主要应用于锂电池服务新能源汽车产业和3C数码产业，碳纳米管填充导电塑料主要应用于服务电力基础设施、半导体产业等。图表1：碳纳米管产业链分析一、碳纳米管产业链中游制备分析目前碳纳米管的制备方法主要包含化学气相沉积法、激光蒸发法、石墨电弧法、水热法。但由于后三者都存在成本高、工业化生产困难的缺点，碳纳米管生产企业更多采用化学气相沉积法。CVD工艺流程主要包括催化剂制备、碳纳米管粗粉制备、粗粉纯化和粉碎四大工序，其中催化剂制备是最核心的环节和技术难点。化学气相沉积法制备碳纳米管的关键环节是碳纳米管在催化剂表面进行生长的过程。具体的反应过程包括碳源化合物在催化剂表面分解，碳原子通过表面扩散或者体相扩散进入催化剂内部，最后碳纳米管从催化剂颗粒中析出。研究表明，生长出的碳纳米管的直径在很大程度上依赖于纳米催化剂颗粒的大小。由于碳纳米管的管径和长度的比值（长径比）很大程度上决定了碳纳米管的性能，催化剂的制备成为了CVD工艺中最核心的环节。但是催化剂材料的选择、颗粒的直径控制需要反复地进行大量试验才能加以确定。同时，碳纳米管催化剂的动态行为十分复杂，随着碳纳米管的生长,催化剂的表面被重构。因此，如何控制实现催化剂保持原有的满足碳纳米管生长的状态，这无疑增加了催化剂制备的难度。图表2：碳纳米管制备工艺流程二、碳纳米管产业链下游分析1、新能源领域导电剂是锂电池中的重要材料，主要作用是提高电池的导电性。锂离子电池的主要材料包括正极、负极、电解液和隔膜。锂电池的供电过程依赖于电子在正极与负极间的移动，因此电极的导电性决定了电池的性能表现。导电剂作为锂电池的关键辅助材料，其作用就是与正极材料、负极材料混合制成电极极片，确保电池的正极和负极具有良好的导电性。锂离子电池正极材料主要包括磷酸铁锂、三元材料、钴酸锂、锰酸锂等，为锂离子电池提供锂源，是影响锂离子电池能量密度、循环使用寿命、安全性等指标的关键材料之一。锂离子电池正极材料的导电性能较差，难以满足锂离子电池的性能要求，因此在正极材料中添加一定比例的导电剂能够提升正极材料的导电性能。其原理是，导电剂物质本身拥有较好的导电性，在填充满正极材料活性物质之间的空隙、与活性物质充分接触后，能够在正极材料活性物质间架起电子流动的桥梁，形成一张导电网络，提升锂电池中电子在电极中的传输速率。锂离子电池负极通常由石墨等构成，其导电性能较好，但石墨在多次充放电的过程中，锂离子的嵌入与脱落会引起石墨颗粒体积的膨胀与收缩，随着锂离子电池充放电次数的增加，石墨颗粒间的间隙加大，导电性能降低，部分甚至会脱离电极，不再参与电化学反应，降低锂离子电池容量。因此，在负极材料当中添加一定比例的导电剂有助于保持负极材料的导电性能。碳纳米管是一种新型导电剂材料，比传统导电剂能更好地提高正极活性物质的导电性，是一种优良的锂电池导电剂。锂离子电池目前常用的导电剂主要包括炭黑、导电石墨、碳纳米管、碳纳米纤维以及石墨烯等。炭黑和导电石墨属于传统的导电剂，其在活性物质之间形成点接触式的导电网络；碳纳米管、碳纤维和石墨烯属于新型导电剂材料，其中碳纳米管与碳纤维在活性物质之间形成线接触式导电网络，石墨烯在活性物质间形成面接触式导电网络。而线接触式和面接触式能够更充分地构建导电网络，因而能够更加明显地提高正极材料活性物质的导电性能，进而降低导电剂在正极材料当中的添加量。通常而言，炭黑导电剂在正极材料中的添加量通常为3%左右，而碳纳米管、石墨烯等新型导电剂的添加量可降低至0.5%~1.0%左右，提升正极活性物质填充量，有助于提升锂离子电池能量密度。2、导电塑料领域导电塑料是具有导电性的功能型高分子材料，应用广泛。导电塑料是导电高分子材料的重要组成部分，因其兼具金属的导电性和塑料的特性，在半导体、防静电材料、集成电路包装、电磁波屏蔽等领域有重要的应用。比如在集成电路领域，电子元器件对静电的敏感程度在100V到上万伏不等，极容易因静电而损坏。因此，防静电措施在集成电路领域显得尤为重要。而导电塑料的电阻值可在较大范围间调节，可以满足集成电路领域对防静电和除静电的需求。导电塑料的导电性来自于填充在其中的具有导电性的导电填料。填充型导电塑料中的塑料本身并不具备导电性，只起结构材料的作用。导电性主要是通过混合在其中的导电的物质如碳材料、金属粉末、抗静电剂等获得。这些导电性物质称为导电填料，它们在填充型导电塑料中起着提供载流子，增加导电性的作用。可以用于导电塑料的碳系导电填料，包括炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等。导电填料与树脂等基底材料混合制成导电母粒，再添加到各种塑料中。碳系填料中的传统材料性能瓶颈已经显现。目前导电塑料中的碳系导电填料依然以炭黑和乙炔黑等传统材料为主。随着我国国民经济及各行业的不断发展，对基础材料性能的要求也不断提高，传统炭黑作为导电填料的性能瓶颈已经显现。为了达到所需要的导电效果，通常国产炭黑需要填充15%-30%在塑料里，进口炭黑填充量在10%左右，导致塑料力学性能损失较大，而且表面容易散落炭黑颗粒，因此炭黑颗粒已经成为半导体产业的污染源之一。碳纳米管作为新一代碳系导电填料的优势逐渐凸显。碳纳米管作为新一代碳系导电填料，可以解决目前传统炭黑遇到的性能瓶颈难题。由于碳纳米管具有更优异的导电性能，因此达到同样甚至更好的导电效果，其添加量仅为传统炭黑的1/5-1/15，不会因添加量过大而产生脱碳污染的问题，是近年来对于高端导电塑料争相开发使用的添加剂。随着碳纳米管的生产规模进一步提高，碳纳米管的使用成本逐渐降低，其相对于炭黑填充型导电塑料的优势将更加明显。3、半导体领域美国Nantero公司已成功研发出一种基于碳纳米管进行信息存储的新型非易失性纳米存储器（NRAM®）。2019年英国《自然》杂志发表了一项计算科学最新进展：美国麻省理工学院团队利用14000多个碳纳米管晶体管，制造出16位微处理器并成功执行了一个简单的程序。碳纳米管晶体管体积更小、性能和能耗表现都远远好于传统硅材料晶体管，MIT团队的研究成果迈出了实现碳纳米管对硅晶体管的替代的重要的一步。第三节碳纳米管行业发展趋势分析一、高镍化趋势明确，碳纳米管迎来契机目前电动汽车用正极材料主要是三元和磷酸铁锂。三元正极材料对应的锂电池在同等条件下具有能量密度高，续航能力强的特点；而磷酸铁锂电池具有安全性好，成本低的特点，两者被广泛应用在电动汽车领域。其中，三元材料又可以分为NCM（镍钴锰）和NCA（镍钴铝）两种。三元正极材料将朝高镍化和少钴化两个趋势发展。在三元材料中，镍和钴是主要的电化学活性元素，其中镍拥有较高的能量密度，而钴则在一定程度上能够帮助维持材料层状结构稳定、改善材料循环和倍率性能。锂离子在低镍三元材料中迁移活性较低，此外，与钴相比镍的电压更高，容量更大，因此为了不断提高三元正极材料的比容量，镍含量的提高是必然趋势，与此同时，由于钴资源的稀缺性，决定了钴价格相对昂贵，若要体现三元正极材料的性价比，就要实现少钴化甚至无钴化。高镍路线主要有高镍路线和高压路线两种方式。目前，从理论上来说，高镍路线，或者说提升电池能力密度路线主要有两种，其中，高镍方案，是通过提升比容量较高的镍材料在三元材料中的占比，形成能量密度的提升；而高压方案则是通过在保证正常运行的前提下，提升充电电压，形成能量密度的提升。提升能量密度和循环寿命仍为三元重要课题，碳纳米管迎来发展契机。从目前来看，提升能量密度和循环寿命仍为三元重要课题，除了提升正极本身的材料性能，其他材料的性能也受到关注，碳纳米管由于其导电性等性能优势对于提升能量密度和循环寿命有较大助益，有望迎来显著发展契机。二、新一代负极材料助力碳纳米管发展目前大多数锂电池是以碳基为负电极，但是电池的容量是由正负极之间可循环的锂决定的。如果正极放出的锂每次都被负极所消耗，那么回正极的锂就会减少。由于硅常温下可以和锂合金化，并且具有10倍于石墨的理论单位放电量，也可以有效提高锂电池单位体积内存储的电量。同时，兼具有储量大、成本低、环境友好的优点，因此硅基负极材料已成为下一代的负极材料。然而，硅负极材料储锂过程中的高膨胀率将导致部分应用问题的出现。硅负极在充放电过程中，即和锂发生反应的过程中存在严重的体积膨胀，体积膨胀率可达到约360%，这将有可能导致电池的材料颗粒粉化和电极脱粉，进而产生循环性能不佳的问题；与此同时，体积膨胀率过高将导致表面SEI膜的重复生长，造成低循环库伦效率等问题。材料颗粒粉化和电极脱粉影响循环性能。在充放电过程中，硅负极材料的体积膨胀会产生裂纹，之后使得材料颗粒粉化，破坏电极材料与集流体的接触性，其次膨胀产生的力对极片形成挤压效应，使得极片存在断裂的风险，进而影响电池整体的循环性能。碳纳米管有望帮助硅基负极完善性能。硅基负极的导电性能比天然石墨和人造石墨等石墨类负极材料要差，因此需要添加高性能导电剂来提升其导电性能。目前碳纳米管导电浆料在硅基负极中表现出良好的性能：（1）碳纳米管高的机械强度能够提高硅基负极材料结构的稳定性，在外力的作用下结构不易破坏；（2）优异的导电性能，可弥补硅基负极导电性差的不足；（3）极大的比表面积可以有效的缓解硅基负极在锂离子脱嵌过程中硅材料结构的坍塌。三、基础材料要求提升，碳纳米管有望持续发展导电塑料应用广泛。导电塑料是将树脂和导电物质混合，用塑料的加工方式进行加工的功能型高分子材料。导电塑料综合了金属的导电性（即在材料两端加上一定电压，在材料中有电流通过）和塑料的特性。作为导电高分子材料的重要组成部分，导