核心導(dǎo)讀
與石墨烯互為“同門好兄弟”的碳納米管，最近因鋰電行業(yè)而火了起來。1991年由日本飯島博士發(fā)現(xiàn)，到現(xiàn)在受人青睞，碳納米管在這20年間歷經(jīng)風(fēng)雨，幾經(jīng)沉浮，人們攻克了難以大規(guī)模量產(chǎn)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(dǎo)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(guān)技術(shù)支持服務(wù)，助力鋰電硅碳負(fù)極產(chǎn)業(yè)。
近年來，隨著世界出現(xiàn)能源危機(jī)，國家不斷深化“雙碳”政策，越來越多人開始環(huán)保出行、綠色生活，也更多地開始關(guān)注新能源行業(yè)。在全球碳中和大趨勢和國內(nèi)外新能源行業(yè)的快速發(fā)展的背景下，動力電池及儲能產(chǎn)業(yè)市場持續(xù)增長，增長的主因便是鋰電行業(yè)的高度景氣。
行業(yè)的景氣自然會引起人們對產(chǎn)業(yè)上下游的關(guān)注，鋰電行業(yè)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(fù)極材料、電解液和隔膜構(gòu)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(fù)極材料則有石墨類材料和硅材料。各大企業(yè)在各結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)都積極尋求技術(shù)創(chuàng)新與突破，僅占鋰電池成本2%的導(dǎo)電劑也不例外，新型導(dǎo)電劑碳納米管也越發(fā)受人們的關(guān)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(jié)構(gòu)（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(gòu)成數(shù)層到數(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(nèi)層可達(dá)0.4nm，最粗可達(dá)數(shù)百納米 |
較高的長度-直徑比 |
典型縱橫比較低 |
單位質(zhì)量導(dǎo)熱系數(shù)大 |
單位質(zhì)量導(dǎo)熱系數(shù)小 |
導(dǎo)電性強(qiáng)，低添加量 |
導(dǎo)電性弱，添加量稍高 |
*該表格內(nèi)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(qiáng)度和極大的韌性，具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，且自身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(dǎo)電塑料、儲氫材料及航天材料等多個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。
碳納米管最主要的應(yīng)用是鋰離子電池。因其導(dǎo)電性能優(yōu)良，長徑比極高，碳納米管作為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)與鋰離子電池電極材料結(jié)合可以獲得具有良好電化學(xué)性能的復(fù)合電極材料，降低鋰電池內(nèi)阻，提高鋰電池電極片的粘結(jié)強(qiáng)度，從而在不同的應(yīng)用模式下顯著提高電池的容量性能、倍率性能以及循環(huán)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(fā)法、化學(xué)氣相沉積法（碳?xì)錃怏w熱解法）、固相熱解法等。
工藝類型 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
化學(xué)氣相沉積法 |
反應(yīng)過程易于控制，反應(yīng)溫度相對較低，產(chǎn)品純度較高，成本低，產(chǎn)量高，適用性強(qiáng) |
粗產(chǎn)品中結(jié)晶度較低 |
激光蒸發(fā)法 |
可連續(xù)操作、產(chǎn)品純度高、質(zhì)量好 |
產(chǎn)量低、成本高、難以工業(yè)化生產(chǎn) |
石墨電弧法 |
碳納米管管直、壁薄、結(jié)晶度高 |
純度低，產(chǎn)率低，成本高，且電弧放電過程難以控制，難以工業(yè)化 |
水熱法 |
產(chǎn)品管徑小、純度高、收率較高 |
成本高難以工業(yè)化 |
化學(xué)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(jīng)過催化分解后形成碳納米管。化學(xué)氣相沉積法也是碳納米管工業(yè)生產(chǎn)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(dǎo)致碳納米管具有不同的形貌和結(jié)構(gòu)，是碳納米管制備中的重要影響因素。
化學(xué)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(zhì)和化合物。研究發(fā)現(xiàn)采用二茂鐵等化合物的催化活性比同種金屬單質(zhì)的要強(qiáng)，在固體酸的催化下，碳納米管的生成溫度比以金屬單質(zhì)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(jié)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(zhì)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(diǎn)越低。對于納米顆粒，表面原子數(shù)與顆粒內(nèi)總原子數(shù)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(zhì)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(dāng)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(zhì)也受到合成原料性質(zhì)的影響。雜質(zhì)和非理想組分多時，催化劑容易燒結(jié)，壽命縮短。當(dāng)錫、鋅等金屬雜質(zhì)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(zhì)量且雜質(zhì)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(dǎo)致催化劑的純度不高，性能不好，造成環(huán)境污染和成本高的問題。
光華科技憑借自身豐富的化學(xué)品研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，為碳管催化劑產(chǎn)業(yè)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(yōu)質(zhì)原料和相關(guān)技術(shù)支持。
光華科技深耕化學(xué)試劑領(lǐng)域40余年，集產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為?體，旗下試劑品牌“華大”和“JHD”被評為“廣東省著名商標(biāo)”。
?“JHD”是光華科技旗下電子化學(xué)品產(chǎn)品品牌商標(biāo)，產(chǎn)品體系涵蓋金屬化合物、溶劑、表面處理添加劑、鋰電池材料、電解液等專用化學(xué)品。
“華大”是光華科技化學(xué)試劑產(chǎn)品品牌商標(biāo)，產(chǎn)品體系涵蓋通用化學(xué)試劑、生化試劑、生命科學(xué)試劑和化學(xué)分析試劑等系列。
光華科技作為專業(yè)專用化學(xué)品服務(wù)商，可提供碳納米管催化劑原料及相關(guān)技術(shù)支持服務(wù)。若您對我們的產(chǎn)品和定制化服務(wù)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(lián)系熱線（86）020-84382888，光華科技愿隨時與您分享最新技術(shù)和優(yōu)質(zhì)產(chǎn)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(xù)碳纖維表面生長碳納米管的影響[J].材料導(dǎo)報,2017,31(S1):1-5.
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[6] 孫亞萍,喬加飛,劉燕,郝衛(wèi),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(fù)合粉體催化劑及其合成碳納米管的研究[D].廣東工業(yè)大學(xué),2005.
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