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碳纳米产业-正在崛起的千亿级新材料

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走出产业幼稚期,正在崛起的千亿级新材料——碳纳米管产业!

碳纳米管是20世纪90年代日本科学家Iijima先生(Iijima Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56~58)发现的新材料,是石墨化的碳原子卷曲而成的纳米级无缝中空管状结构。

 

 

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图-2、3、4层碳纳米管并存的高倍透射电镜照片

数据来源:赵社涛

碳纳米管产业走出幼稚期,步入成长期展现千亿级市场潜力

 

按照熟悉的配方,熟悉的味道,20世纪90年代初期几乎所有介绍碳纳米管的论文,开篇总会提到——“碳纳米管的导热性是铜的5倍,拉伸强度达到50~200GPa是钢的100倍,密度是钢的1/6”。愿景是美好的,现实是残酷的。新材料碳纳米管的产业化一方面要面对生产规模和价格之间的矛盾,只有足够的生产规模才能降低单位产品的生产价格;另外一方面,要面对很多低成本、大吨位传统材料的性价比竞争。好比让一个才学会走路的孩子马上就和一个成年人竞争,是艰难的过程。早期介入碳纳米管材料的创业公司,收入微薄、甚至多年亏损,又要持续研发和投入,陷入了十多年的苦熬过程。

之所以石墨烯的大火烧了这么多年,笔者觉得,一方面是石墨烯的发现者获得诺贝尔奖带来的光环效应;另外一方面,石墨烯的氧化剥离或者物理剥离,需要的设备简单,投入极少资金就可以切入进行研发或者小批量生产,门槛较低。碳纳米管生产则不同,需要烃类原料、深奥的催化剂、昂贵且复杂的反应器设备,门槛较高。所以石墨烯更容易低成本炒作和遍地开花。与石墨烯行业,大部分公司亏损的状况不同。国内的碳纳米管行业经过多年的市场拼搏,也基本没什么政府扶持,但大都是盈利的,大的公司盈利过亿,小的公司盈利上百万。历经新材料行业这么多年的,富勒烯、纳米材料、碳纳米管、石墨烯等依次烧过的时代热点大潮,大浪淘沙,碳纳米管行业终于初步实现了产业化。按照产业生命发展周期理论(Industry Life Cycle),产业的生命发展周期主要包括四个发展阶段:幼稚期,成长期,成熟期,衰退期。碳纳米管产业已经走出风险较大的幼稚期,步入成长期,并展现出千亿级的市场潜力。
 

 

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图-碳纳米管产业生命周期

全球碳纳米管产业现状

经过十多年的研发和推广,在锂电池行业中碳纳米管作为导电剂,其效果非常明显,使用已经越来越普及。除了动力电池,在数码电池里碳纳米管导电剂也开始使用。碳纳米管导电剂的添加量比传统的炭黑导电剂大量减少,同时能使粘接剂的用量降低至原来的50%左右,对锂离子电池有综合的明显好处。

经高工产研锂电研究所(GGII)调研和预计,在未来五年,全球碳纳米管导电剂浆料(碳纳米管导电剂浆料里含有3-5%的碳纳米管,其余是溶剂NMP)需求量将保持40.8%的年复合增长速度,2022年需求量将达12万吨,2023年需求量将达19.06万吨。
 

2014-2022年中国碳纳米管导电浆料市场规模分析及预测(万吨)

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数据来源:高工产研锂电研究所(GGII)

 

国内碳纳米管导电剂市场,随着动力电池产业的快速增长,预计到2022年将达到45亿元的国内市场。随着锂电池高镍正极、硅基负极和固态电池等新技术应用规模扩大,碳纳米管的应用会爆发式增长,单是在锂电池领域就会成为每年百亿级的市场。

 

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2014-2022年中国碳纳米管导电浆料产值分析及预测(亿元)

数据来源:高工产研锂电研究所(GGII)

受益于电池导电剂市场需求规模的持续增长,国内已有市值百亿级的碳纳米管公司——江苏天奈科技公司涌现,此外多家上市公司涉及碳纳米管业务,例如贝特瑞、德方纳米、道氏技术等。以前做石墨烯的多家公司也改弦更张,悄然介入碳纳米管行业。碳纳米管的市场前景吸引了众多国内资本争相进入,希望能分一杯羹。

 

碳纳米管作为锂离子动力电池导电剂急需解决的关键问题之一就是:碳纳米管相互之间存在较强的范德华相互作用,很难均匀分散在电极活性材料中。据了解,采用砂磨处理方法制备碳纳米管导电浆料能够获得分散稳定效果较好的浆料。

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碳纳米管浆料专用砂磨机

鹏翼智能科技自主研制的碳纳米管专用纳米陶瓷砂磨机,解决了高粘度、易堵料、难分散的行业痛点问题,并已申请专利保护,在行业内被多家企业优先使用,效果显著,成为真正掌握纳米级材料研磨核心技术的优质供应商。

 

目前国内生产碳纳米管的公司技术水平和产品结构类似,大体呈现低水平重复建设,小、散、乱的局面。了解碳纳米管行情的老板,投入资金,买到部分技术和图纸,就又会形成一家技术水平和设备相似,甚至比原版图纸更差的公司。据笔者不完全统计,国内目前已有十多家从事碳纳米管粉体生产相关的国内企业。

国内目前较先进的碳纳米管百吨级批量生产技术是第四代碳纳米管技术,国内几个碳纳米管公司掌握的技术。低密度易分散碳纳米管,比表面在250-350 m2/g,堆密度0.01-0.02g/ml,平均管径8.几nm的碳纳米管,碳纳米管平均6-8层左右。因为碳纳米管产物密度很低,所以用流化床生产反应器的利用率很低,因为单位体积的反应器生产能力和产物的密度成正比。生产过程产生很多废水,环保压力大。因为工艺原理的因素,生产过程的可控性有波动,批次有差异,稳定性欠佳。某个原料成本极高,生产过程效率又低,造成第四代碳纳米管生产成本较高。
 
 
未来发展展望
 

综上所述,碳纳米管产业,国内和国外是同一时期起步的,不存在国外先发优势,提前积累几十年到上百年。国内碳纳米管,历经了从20多年前的只能实验室合成,价格50-200美元/克,到目前可以百吨级生产,一吨的价格人民币十万到几十万,其成本下降了近四个数量级,成功进入工业品市场。是不多的本土自主知识产权的新材料产业。

随着国内碳纳米管行业持续发展和沉淀20多年,靠市场拼搏走出产业幼稚期,后续持续发力,突破众多应用市场,碳纳米管产业必将在下一个十年迎来千亿级市场规模,涌现市值超越千亿级的国内碳纳米管企业。此时正是介入碳纳米管产业的好时机。

 

 

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