核心導(dǎo)讀
與石墨烯互為“同門(mén)好兄弟”的碳納米管，最近因鋰電行業(yè)而火了起來(lái)。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(lái)，隨著世界出現(xiàn)能源危機(jī)，國(guó)家不斷深化“雙碳”政策，越來(lái)越多人開(kāi)始環(huán)保出行、綠色生活，也更多地開(kāi)始關(guān)注新能源行業(yè)。在全球碳中和大趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外新能源行業(yè)的快速發(fā)展的背景下，動(dòng)力電池及儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)的主因便是鋰電行業(yè)的高度景氣。
行業(yè)的景氣自然會(huì)引起人們對(duì)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(chē)在中國(guó)銷(xiāo)量已突破220萬(wàn)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(lèi)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(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，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：?jiǎn)伪谔技{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(mǎn)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(zhǎng)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(chǔ)氫材料及航天材料等多個(gè)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(zhǎng)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(lèi)型 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
化學(xué)氣相沉積法 |
反應(yīng)過(guò)程易于控制，反應(yīng)溫度相對(duì)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(guò)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(lèi)或含碳氧化物引入到含有催化劑的高溫管式爐中經(jīng)過(guò)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(duì)碳納米管的成核、生長(zhǎng)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(lèi)
常見(jiàn)催化劑種類(lèi)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(zhǎng)過(guò)程中，溫度過(guò)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(duì)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(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程中，催化劑活性高，生長(zhǎng)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(zhǎng)。高溫下生成的碳管質(zhì)量較低溫生長(zhǎng)的碳管好，表面也較干凈。其他元素的加入對(duì)碳活度的影響，當(dāng)在催化劑Fe中加入Co、Ni、S等元素時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，如果原料使用存在缺陷則會(huì)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(wèn)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(xiāo)售和服務(wù)為?體，旗下試劑品牌“華大”和“JHD”被評(píng)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(zhuān)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(zhuān)業(yè)專(zhuān)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(duì)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(hào)后臺(tái)，或直接撥打光華科技聯(lián)系熱線（86）020-84382888，光華科技愿隨時(shí)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(shuō)明書(shū)
[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(guó).催化劑加載對(duì)連續(xù)碳纖維表面生長(zhǎng)碳納米管的影響[J].材料導(dǎo)報(bào),2017,31(S1):1-5.
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[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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