核心導讀
與石墨烯互為“同門好兄弟”的碳納米管，最近因鋰電行業而火了起來。1991年由日本飯島博士發現，到現在受人青睞，碳納米管在這20年間歷經風雨，幾經沉浮，人們攻克了難以大規模量產的難題，碳納米管也再次“出道“，在鋰離子電池中大放異彩。今天，光華科技帶您一同了解一下鋰電池導電劑“新秀”碳納米管以及其催化劑。光華科技提供碳納米管催化劑原料及相關技術支持服務，助力鋰電硅碳負極產業。
近年來，隨著世界出現能源危機，國家不斷深化“雙碳”政策，越來越多人開始環保出行、綠色生活，也更多地開始關注新能源行業。在全球碳中和大趨勢和國內外新能源行業的快速發展的背景下，動力電池及儲能產業市場持續增長，增長的主因便是鋰電行業的高度景氣。
行業的景氣自然會引起人們對產業上下游的關注，鋰電行業也不例外。下游方面，2022年上半年，新能源電車在中國銷量已突破220萬輛。上游方面，鋰電池主要由正極材料、負極材料、電解液和隔膜構成。正極材料主要包含三元材料、磷酸鐵鋰材料、磷酸錳鐵鋰，負極材料則有石墨類材料和硅材料。各大企業在各結構環節都積極尋求技術創新與突破，僅占鋰電池成本2%的導電劑也不例外，新型導電劑碳納米管也越發受人們的關注。
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碳納米管概述
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碳納米管（Carbon Nanotubes, CNTs），又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20nm。
碳納米管結構圖
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單壁碳納米管vs多壁碳納米管
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碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數可分為：單壁碳納米管（Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs）
單壁碳納米管 |
多壁碳納米管 |
直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性 |
管壁上通常布滿小洞樣的缺陷 |
典型直徑在0.6-2nm |
最內層可達0.4nm，最粗可達數百納米 |
較高的長度-直徑比 |
典型縱橫比較低 |
單位質量導熱系數大 |
單位質量導熱系數小 |
導電性強，低添加量 |
導電性弱，添加量稍高 |
*該表格內容均為單壁碳納米管相較于多壁碳納米管而言
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鋰電池中的碳納米管
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碳納米管擁有極高的強度和極大的韌性，具有良好的導電導熱性能，且自身化學性質穩定，具有耐酸性和耐堿性，因此碳納米管在體育用品、橡膠、抗靜電涂料、導電塑料、儲氫材料及航天材料等多個領域均有廣泛應用。
碳納米管最主要的應用是鋰離子電池。因其導電性能優良，長徑比極高，碳納米管作為導電結構與鋰離子電池電極材料結合可以獲得具有良好電化學性能的復合電極材料，降低鋰電池內阻，提高鋰電池電極片的粘結強度，從而在不同的應用模式下顯著提高電池的容量性能、倍率性能以及循環壽命。
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碳納米管制備工藝
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常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光蒸發法、化學氣相沉積法（碳氫氣體熱解法）、固相熱解法等。
工藝類型 |
優點 |
缺點 |
化學氣相沉積法 |
反應過程易于控制，反應溫度相對較低，產品純度較高，成本低，產量高，適用性強 |
粗產品中結晶度較低 |
激光蒸發法 |
可連續操作、產品純度高、質量好 |
產量低、成本高、難以工業化生產 |
石墨電弧法 |
碳納米管管直、壁薄、結晶度高 |
純度低，產率低，成本高，且電弧放電過程難以控制，難以工業化 |
水熱法 |
產品管徑小、純度高、收率較高 |
成本高難以工業化 |
化學氣相沉積法是將烴類或含碳氧化物引入到含有催化劑的高溫管式爐中經過催化分解后形成碳納米管。化學氣相沉積法也是碳納米管工業生產的主要方法之一。
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催化劑是碳納米管的“基因”
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催化劑作為碳源分解活性中心以及石墨碳沉積中心，它的選取、制備、以及載體的選取也將對碳納米管的成核、生長速率、密度、分離、純化等有很大影響，將導致碳納米管具有不同的形貌和結構，是碳納米管制備中的重要影響因素。
化學氣相沉積法工藝路線
01
催化劑的種類
常見催化劑種類為：金屬單質和化合物。研究發現采用二茂鐵等化合物的催化活性比同種金屬單質的要強，在固體酸的催化下，碳納米管的生成溫度比以金屬單質作催化劑的生成溫度要低300℃～400℃。在碳納米管生長過程中，溫度過高易造成催化劑顆粒的燒結和集聚，催化劑的失活。另外，化合物催化劑與基底間的作用力比單質金屬的弱，易于碳納米管的提純。
02
催化劑的顆粒
催化劑顆粒越小，其熔點越低。對于納米顆粒，表面原子數與顆粒內總原子數之比隨顆粒的增大而減小，其表面張力也隨之降低。因此，在碳納米管的生長過程中，厚度較小的催化劑膜在較大的表面張力作用下形成較小的顆粒，而厚度較大的催化劑膜則形成較大的顆粒。
03
催化劑的活性
碳管生長過程中，催化劑活性高，生長溫度高，有利于碳的分解，活性碳原子濃度大，有利于碳納米管的生長。高溫下生成的碳管質量較低溫生長的碳管好，表面也較干凈。其他元素的加入對碳活度的影響，當在催化劑Fe中加入Co、Ni、S等元素時，碳原子活度得到提高，有利于碳納米管的析出。
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催化劑原料的重要性
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作為碳納米管的“基因”，催化劑的理化性質也受到合成原料性質的影響。雜質和非理想組分多時，催化劑容易燒結，壽命縮短。當錫、鋅等金屬雜質含量多時，不適合做多元催化劑的活性組分且不易形成高質量且雜質少的碳納米管。在催化劑的合成時，如果原料使用存在缺陷則會導致催化劑的純度不高，性能不好，造成環境污染和成本高的問題。
光華科技憑借自身豐富的化學品研發生產經驗，為碳管催化劑產業提供硝酸鎂、硝酸鋁、硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、50%硝酸錳溶液、碳酸銨、鉬酸銨等優質原料和相關技術支持。
光華科技深耕化學試劑領域40余年，集產品研發、生產、銷售和服務為?體，旗下試劑品牌“華大”和“JHD”被評為“廣東省著名商標”。
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光華科技作為專業專用化學品服務商，可提供碳納米管催化劑原料及相關技術支持服務。若您對我們的產品和定制化服務感興趣，可留言光華科技公眾號后臺，或直接撥打光華科技聯系熱線（86）020-84382888，光華科技愿隨時與您分享最新技術和優質產品。
參考資料
[1] 天奈科技招股說明書
[2] 碳納米管-百度百科
[3] 秦建杰,王延相,牛芳旭,鄭林寶,王興輝,馬連茹,劉群,王成國.催化劑加載對連續碳纖維表面生長碳納米管的影響[J].材料導報,2017,31(S1):1-5.
[4] 蔣雪,江奇,陳建康,陳姿,鄧敏,蔡玉東,盧曉英.催化劑對碳納米管及其電化學儲能性能的影響[J].功能材料,2016,47(09):9068-9072.
[5] 耿曉菊. 催化劑對碳納米管生長的影響及相關研究[D].重慶大學,2007.
[6] 孫亞萍,喬加飛,劉燕,郝衛,王順森.多元催化劑活性組分及助劑配合對V型火焰法制備碳納米管的影響[J].化工新型材料 ,2022,50(06):197-202.DOI:10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2022.06.039.
[7] 陳玉蓮. 水熱法制備納米復合粉體催化劑及其合成碳納米管的研究[D].廣東工業大學,2005.
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