碳纳米管属于一维纳米材料，具有高强度和高导电导热性的优秀性能，其下游应用主要涵盖新能源汽车产业、3C数码产业、半导体产业、电力基础设施等领域。碳纳米管的大规模商业应用需求最主要来自锂电池和导电塑料领域，其中来自锂电池的需求超过80%。那么碳纳米管为什么能被誉为“崛起的千亿级新材料”呢？文本将带您详细了解。

01碳纳米管概述

碳纳米管（Carbonnanotube，CNTs）是一种典型的一维纳米材料，是材料科学领域多年的研究热点之一。碳纳米管是晶形碳的一种同位素异形体，从结构上为蜂巢状的一维纳米空心管，其中C-C原子以sp2杂化构成共价键。根据碳纳米管的管壁数，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT），而根据碳纳米管的结构特征又可分为扶手椅形、锯齿形和螺旋型三种，其中螺旋型碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

图：生产碳纳米管方法对比

此外，研究者还利用电解法、太阳能法、微波等离子体增强化学气相沉积法、球磨法、火焰法和爆炸法等成功制备了碳纳米管，但这些方法并不是主流方法。

04碳纳米管的应用

超级电容器：碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器既可用作电容器也可以作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容器在声频、视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中均可得到广泛的应用。作为了电双层电容器的电极材料，要求该材料结晶度高、导电性好、比外表积大、微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽（国存储能量有奉献的孔不到30%），而且结晶度低、导电性差，导致容量小没有适宜的电极材料，这是限制电双层电容器在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比外表积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。催化剂载体：碳纳米管材料比外表积大，外表原子比率大（约占总原子数的50%）。使体系的电子结构和晶体结构明显改变表现出特别的电子效应和外表效应，如气体通过碳纳米管的扩散速度为了通过常规催化剂颗粒的上千倍，负载催化剂后可极大提升催化剂的活性。选择性碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特别的结构和外表特性、优异的储氢水平和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反响中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提升反响的活性和选择性，产生巨大的经济效益。储氢材料：吸附是气体吸附质在固体吸附剂外表发生的行为，其发生的过程与吸附剂固体外表特征密切相关。对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子碳管的外表羟基作用。纳米碳管外表存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而到达表观上对金属离子或有机物产生吸附作用。质子交换膜（PEM）燃料电池：碳纳米管燃料电池是最具开展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。它与锂离子电池及锐氢动力电池相比有巨大的优越性，可以用碳纳米管储氢材料储氢后供给氢，也可通过分解气油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。碳纳米管在复合材料中的应用：碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质，成为了聚合物复合材料理想的增加体，在化工、机械、电子、航空、航天等领域具有广泛的应用。但由于碳纳米管易聚集成束或缠绕，而且与其他纳米粒子相比，其外表是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂或聚合物材料中的分散度低，这极大地制约了其广泛应用。因此，对碳纳米管的外表进行改性已成为了聚合物/碳纳米管复合材料的钻研热点之一。目前，国内外对碳纳米管外表改性的钻研主要是在其外表引入共价键和非共价键基团，例如采用外表化学反响改性、外表活性剂改性等，或采用聚合物分子对碳纳米管进行包覆改性等方法。近年来，还指出了紫外线照射、等离子射线改性等处理方法外表改性的碳纳米管，用丁聚合物复合材料可以显著改善材料的力学性能、电性能和热性能等。

05碳纳米管研发的壁垒

碳纳米管的研发难点集中于碳纳米管的长径比（长度和直径比）和纯度的控制，主要包含3个方面，即催化剂的制备研发、碳纳米管积碳生长研发、碳纳米管应用研发。

催化剂的制备研发：

催化剂是决定碳纳米管管径、纯度的关键因素，不同公司使用的催化剂不同得到产品存在明显的差异，催化剂的质量、性能将直接影响碳纳米管的质量、性能。催化剂研发流程如下，（1）溶解：将硝酸镁等硝酸盐完全溶解在纯水中（通常为过渡金属）；（2）沉淀：加入NH₃H₂O使硝酸盐生成金属氢氧化物沉淀，化学反应式为MNO₃ NH₃H₂O—>MOH NH4NO3（其中M金属）；（3）焙烧：将金属氢氧化物分解成金属氧化物的催化剂，达到催化剂产品要求后进入到下一道工序，化学反应式为 2MOH—>M₂O H₂O。

图：碳纳米管应用的研发流程

06碳纳米管产业链

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、NMP、分散剂等。中游碳纳米管导电剂主要有导电浆料和导电母粒，分别应用于锂电池和化工企业。下游主要为锂电池服务的新能源汽车、储能电站和3C数码产业，还有化工企业的导电塑料企业。

图：2020年碳纳米管成本及原材料成本结构

根据2021年碳纳米管下游需求结构占比情况，锂电池服务产业占比较重，达86%；导电塑料企业占比较低，仅占14%。

图：2019-2025年全球碳纳米管市场规模情况

目前，碳纳米管导电浆料生产企业主要集中在国内，国外则主要掌握性价比更高的炭黑类导电剂。但因为碳纳米管优异的导电性能以及价格的逐年下降，国外企业也开始布局碳纳米管产能建设。

2020-2021年中国碳纳米管导电浆料市场竞争格局

文章来源：公众号材料PLUS