低成本和低投資門檻碳納米管生產(chǎn)技術(shù)的新突破——天然氣為原料生產(chǎn)鋰電池用碳納米管

碳納米管是20世紀90年代日本科學(xué)家Iijima先生（Iijima?Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）發(fā)現(xiàn)的新材料，是石墨化的碳原子卷曲而成的納米級無縫中空管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管的物理結(jié)構(gòu)就決定了，碳納米管具有多種優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能。例如，碳納米管的導(dǎo)熱性是銅的5倍，拉伸強度達到50～200GPa是鋼的100倍，密度是鋼的1/6。

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以碳納米管在新能源電池行業(yè)的應(yīng)用作為案例來分析，鋰電池由正極材料、負極材料、隔膜、電解液、導(dǎo)電劑、結(jié)構(gòu)件、BMS等構(gòu)成。各種材料占鋰電池的成本，大致如下：

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如果投資鋰電池的正極材料，資金動則幾十億人民幣起步，而且競爭激烈。例如，2021年2月4日，中核鈦白發(fā)布公告稱，擬通過全資子公司東方鈦業(yè)投資建設(shè)年產(chǎn)50萬噸磷酸鐵鋰項目，預(yù)計總投資121億元，皆為公司自有自籌資金。2021年6月，湘潭電化也公告，通過參股公司湖南裕能在貴州新建年產(chǎn)30萬噸磷酸鐵和30萬噸磷酸鐵鋰，投資總額為70億元；湖南裕能還擬在昆明市建設(shè)年產(chǎn)35萬噸磷酸鐵和35萬噸磷酸鐵鋰項目，預(yù)計總投資100億元。
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導(dǎo)電劑在鋰電池里占比少，但是對鋰電池的性能具有很大的影響。鋰電池的導(dǎo)電劑，有不同的種類，都是各種不同結(jié)構(gòu)的碳材料。包括類球形的炭黑（顆粒直徑數(shù)十nm級），片狀的石墨片，以及一維線狀的碳納米管。所有不同種類的鋰電池導(dǎo)電劑中，以碳納米管的添加量最少，性能最好，市場占比最大。
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鋰電池的負極、隔膜、電解液、銅箔等產(chǎn)業(yè)鏈，投資資金動則也是十億元起步。與之不同的是，雖然導(dǎo)電劑的成本，大致只占鋰電池的2%左右。但是，由于鋰電池行業(yè)現(xiàn)在已是萬億級的大產(chǎn)業(yè)，所以現(xiàn)在鋰電池導(dǎo)電劑也成為了大的產(chǎn)業(yè)，具有巨大的前景和光明的前途。
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經(jīng)國內(nèi)多家機構(gòu)調(diào)研和預(yù)計，一致認為在未來五年，全球碳納米管導(dǎo)電劑漿料需求量將保持40.8%的年復(fù)合增長速度， 2023年需求量將達17.72萬噸。國內(nèi)碳納米管導(dǎo)電劑市場，隨著動力電池產(chǎn)業(yè)的快速增長，預(yù)計到2023年將達到62億元的國內(nèi)市場產(chǎn)值。由于固態(tài)電池內(nèi)部比液態(tài)電池導(dǎo)電性更差，需要添加更多的碳納米管導(dǎo)電劑，來提高其內(nèi)部的導(dǎo)電性。以后，隨著固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)化會導(dǎo)致隔膜和電解液的取消，但是會利好碳納米管導(dǎo)電劑產(chǎn)業(yè)。隨著鋰電池高鎳正極、硅基負極和固態(tài)電池等新技術(shù)應(yīng)用規(guī)模擴大，碳納米管的使用量會進一步大量增長，未來單是在鋰電池領(lǐng)域就會成為每年百億級的市場。
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碳納米管作為鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈里的導(dǎo)電劑，只是碳納米管產(chǎn)業(yè)化的“冰山一角”，是資本和傳統(tǒng)新材料企業(yè)認識碳納米管的第一步。更重要的是，1996年諾貝爾化學(xué)獎得主尊敬的Richard E. Smalley先生曾教導(dǎo)我們，“碳納米管是人們所能制造出來的最強、最剛、最硬的分子，同時是最好的熱和電的分子導(dǎo)體”。碳納米管在芯片、晶體管、生物醫(yī)療、太陽能光伏電池、輪胎、燃料電池、藥物輸送、儲氫、高分子材料、電容器、復(fù)合材料等會有更廣闊市場，會持續(xù)突破更多的大市場，未來有望成為一個千億級市場的產(chǎn)業(yè)。
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國內(nèi)的碳納米管企業(yè)也在此時進入了快速發(fā)展階段，已經(jīng)有天奈科技、道氏技術(shù)等多家知名企業(yè)介入碳納米管業(yè)務(wù)，且每年能實現(xiàn)數(shù)億的利潤。
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目前，國內(nèi)的碳納米管生廠商基本選擇丙烯作為碳源，流化床作為生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)路線。丙烯是特種低溫石化化學(xué)品，其供應(yīng)商較少，長途運輸成本很高。而且，丙烯的采購和使用有嚴格的監(jiān)管要求。
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新建一個類似的大型碳納米管生產(chǎn)工廠，投資資金動則幾個億，門檻較高。高昂的投資資金門檻，擋住了很多想介入碳納米管和新能源碳材料行業(yè)的投資者。
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有鑒于此，趙社濤團隊在二十多年碳納米管研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，坐冷板凳持續(xù)鉆研，終于開發(fā)出了一種適用于中小型企業(yè)，能大幅度降低投資門檻的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)。該技術(shù)，以天然氣或純甲烷為原料，在較高的催化劑倍率下，生產(chǎn)出符合鋰電池工廠要求的碳納米管。只有較高的催化劑倍率，才能控制住天然氣生產(chǎn)碳納米管的生產(chǎn)成本。天然氣是一種容易獲取的工業(yè)原料，廣泛分布于國內(nèi)各個城市。而且天然氣，直接連接管道就可以使用，不需要運輸和儲存裝置。不像丙烯是危險的特種石化化學(xué)品，需要儲存裝置和設(shè)施。天然氣的噸使用成本，也遠小于遠距離運輸?shù)焦S的丙烯噸成本。
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該技術(shù)以天然氣為原料能生產(chǎn)出符合鋰電池大型工廠要求的，平均管徑10nm-20nm碳納米管，碳納米管一次純度能達到90%—96.5%。
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相比目前主流工廠采用的丙烯+流化床工藝生產(chǎn)的碳納米管，趙社濤團隊新開發(fā)的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)，具有較高的催化劑倍率和較低的天然氣原料噸成本，從而具有更低的生產(chǎn)成本優(yōu)勢。
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而且，該技術(shù)還能和移動床生產(chǎn)設(shè)備兼容。眾所周知，移動床的設(shè)備投資成本遠小于流化床，操作難度也遠小于流化床。移動床設(shè)備的交貨周期，安裝周期也比流化床生產(chǎn)設(shè)備大大縮短。使用趙社濤團隊突破的天然氣生產(chǎn)碳納米管新技術(shù)，結(jié)合移動床設(shè)備，就能讓廣大中小企業(yè)，大幅度降低投資門檻的入局，介入碳納米管和新能源材料產(chǎn)業(yè)，還能獲得更低的生產(chǎn)成本競爭優(yōu)勢。對此技術(shù)突破感興趣的，請聯(lián)系趙社濤。
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