中國粉體網訊 碳納米管屬於一種一維納米材料，其可被認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。碳納米管自被發現以來，因其獨特的結構和優異的性能，成為瞭材料科學領域的研究熱點。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、熱學和力學性能等，在鋰電池正負極中展現出瞭巨大的應用潛力。
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，各大電池企業均在尋求新的技術路線以實現電池性能的突破。在負極材料端，傳統的以石墨作為負極材料的技術路線已經接近石墨材料本身理論比容量的上限。為進一步提升電池的能量密度，矽負極被普遍認為是未來發展的方向。矽擁有超過9倍於石墨材料的理論比容量，但存在體積膨脹較大的問題，因此目前主要以矽碳摻雜材料為主，例如特斯拉最新開發的4680電池就使用矽碳摻雜材料作為負極。
為進一步提升矽負極的應用，目前碳納米管被認為是解決矽負極膨脹性最優的材料。由於碳納米管本身具有的一維線狀結構，其能夠在矽顆粒表面及矽顆粒之間建立點線接觸式的高度導電、緊密的連接，在矽負極顆粒體積膨脹並開始出現裂縫時可通過碳納米管保持良好連接，減少材料破裂，維持負極的穩定。隨著矽基負極的發展，碳納米管導電劑將發揮越來越重要的作用。
然而，盡管經過瞭多年的研究，單壁碳納米管的實際應用仍面臨著一些挑戰，其發展速度也相對較慢。本文將對單壁碳納米管的制備方法進行探討，分析其研究進展以及發展緩慢的原因。
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於制備碳納米管的方法之一。通過在惰性氣體氛圍中，利用電弧放電產生的高溫使碳源蒸發並形成碳納米管。研究人員通過優化電弧放電的工藝參數，如電流、電壓、氣氛等，提高瞭單壁碳納米管的產率和質量。
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，使其蒸發並形成碳納米管。與電弧放電法相比，激光燒蝕法可以制備出管徑分佈更窄、結構更均勻的單壁碳納米管。此外，通過控制激光的參數和反應氣氛，還可以實現對碳納米管手性的一定程度的控制。
3. 化學氣相沉積法（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並形成碳納米管。CVD法具有成本低、可大規模制備等優點，並且可以通過選擇不同的催化劑和反應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法的基礎上發展瞭多種新型的制備技術，如浮動催化劑CVD法、等離子體增強CVD法等，進一步提高瞭單壁碳納米管的制備效率和質量。
單壁碳納米管規模化發展緩慢的原因
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備和復雜的工藝，成本較高；CVD 法雖然成本相對較低，但要實現大規模、高質量的制備，仍然需要進一步優化工藝和降低成本。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，這也限制瞭單壁碳納米管的大規模應用。
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，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、熱學和力學性能，要實現對碳納米管性能的精確調控，就必須解決管徑和手性控制的問題。盡管研究人員已經提出瞭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，難以滿足實際應用的需求。
3、分散性和相容性問題
單壁碳納米管在大多數溶劑和基體材料中的分散性和相容性較差，這也限制瞭其在復合材料等領域的應用。由於碳納米管之間存在較強的范德華力，容易團聚在一起，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合強度較低，也會影響復合材料的性能。為瞭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雜性。
4、缺乏統一的標準和規范
目前，對於單壁碳納米管的質量評價、性能測試等方面還缺乏統一的標準和規范，這也給其研究和應用帶來瞭一定的困難。不同的研究團隊可能采用不同的制備方法和測試手段，導致結果的可比性和重復性較差。建立統一的標準和規范，對於推動單壁碳納米管的研究和應用具有重要的意義。
國內外單壁碳納米管生產企業
國內外制備單壁碳納米管的主要企業包括OCSiAl、天奈科技、道氏技術等。
1、OCSiAl
OCSiAl是全球唯一一傢擁有規模化工業合成單壁碳納米管技術的科技公司，總部位於盧森堡。該公司已經在塞爾維亞貝爾格萊德附近設立瞭生產工廠，產能規劃為每年120噸，並且正在建設一個設計產能為3000噸/年的單壁碳納米管分散液工廠。上海海逸科貿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商，近日聯合宣佈將進一步提升生產產能，以更好地滿足客戶的訂單交付需求。這兩傢公司長期以來為中國各大領先的電池制造商供應高品質的單壁碳納米管分散液，所有產品均依照OCSiAl的嚴格質量標準進行生產，且兩傢公司的生產線已通過國內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產品的研發、生產及銷售，產品包括碳納米管粉體、碳納米管導電漿料等。2023年，天奈科技碳納米管導電漿料產品受頭部動力電池企業客戶需求帶動，占中國碳納米管導電漿料市場份額為46.7%，位居國內碳納米管供應行業第一，並且是全球極少數具備單壁碳納米管量產能力的企業之一。公司研制的單壁碳納米管產品，填補國內在單壁碳納米管產業化領域的空白，在單/雙壁碳納米管批量生產工藝與設備開發中累積投入7000餘萬元，項目已進入中試階段。公司單壁碳納米管已小批量供貨用於下遊客戶新產品的研發、驗證及應用。
3、道氏技術
道氏技術聚焦新材料業務，專註材料創新、工藝創新、產品創新，業務佈局已形成“碳材料+鋰電材料+陶瓷材料+戰略資源”的新格局。公司碳材料產品主要為碳納米管導電劑和石墨烯導電劑，由於單壁碳納米管是矽碳負極規模化應用所必需的核心材料，公司依托於深厚的技術積累與沉淀，將業務延伸至人造石墨負極材料，並規劃瞭技術先進的矽基負極材料一體化研發生產體系。目前第五代單壁碳納米管已有客戶驗證通過，可應用於正極材料和矽碳負極材料。
結語
單壁碳納米管作為一種具有巨大應用潛力的新型材料，在電子、能源、復合材料等領域已經取得瞭一定的研究進展。然而，由於其制備成本高、管徑和手性控制困難、分散性和相容性問題以及缺乏統一的標準和規范等原因，其發展速度相對較慢。為瞭推動單壁碳納米管的實際應用，未來需要進一步加強對其制備方法、性能調控、安全性評價等方面的研究，同時也需要政府、企業和科研機構等各方的共同努力，加大投入，加強合作，制定相關的政策和標準，促進單壁碳納米管產業的健康發展。
參考來源：
巨潮資訊網，雪球網，金融界
天奈科技官網和2024半年度報告
道氏技術2024半年度報告
黃少真等：化學氣相沉積法合成碳納米管及其在鋰離子電池的應用研究
袁佩玲等：新能源電池領域導電劑技術的研究與產業化
宋倩倩：碳納米管制備方法專利分析
（中國粉體網編輯整理/留白）
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