碳纳米管的制备研究及应用现状分析

1 碳纳米管的生产方法

经过多年不断研究和改进，目前已开发出化学气相沉积法（CVD）、电弧放电法、激光蒸发法、水热法等多种制备方法。

1.1电弧放电法

Iijima发现碳纳米管时采用的是电弧放电法，在低压氦气等惰性气氛中，以石墨作为电极，电极间形成等离子体使阳极升华，沉积在反应腔内形成碳纳米管，通过对阳极进行改性（例如掺入Fe，Co，Ni等催化剂）可以制备不同形貌的碳纳米管，包括多壁碳纳米管、单壁碳纳米管等。
电弧放电法规模化生产碳纳米管的最大问题是无法连续生产，碳纳米管的生长过程需要被迫中断来清理反应腔内的碳粉。产品中除碳纳米管外，通常还有富勒烯、无定形炭等副产品，产品纯度相对较低。
1.2激光蒸发法
激光蒸发技术和电弧放电方法的原理和机理相似。但是，它们因输入的能源不同而不同。在激光蒸发方法中，所需能量由激光提供，碳源气化后沉积在反应器壁。该方法需要用到昂贵的激光器，大规模生产成本较高[2]。
1.3火焰合成法
在火焰合成方法中，催化剂和碳源在高燃的火焰中进行成核并快速生长碳纳米管，整个操作过程简单且用时短，在该方法中最特别的是只需通过调节火焰参数就能获得所需的碳纳米管，然而，对火焰法的研究周期并不长，故目前还局限于实验室研发未能投入到工业化生产。
1.4化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）是采用金属催化剂在惰性气体和碳源气体的气氛条件下加热到一定温度后生长碳纳米管，大致过程为碳源在催化剂表面裂解，沉积析出的碳原子再扩散形成碳纳米管。化学气相沉积法又包括流化床工艺、固定床工艺、移动床工艺、浮游催化剂法等。

碳纳米管的工艺流程 

来源：天奈科技

相较于其他制备方法，化学气相沉积法具备反应过程易于控制、反应温度相对较低、产品纯度较高、单批次产量较高等优点，因此基于生产成本及生产效率等多方面因素限制，目前主要碳纳米管生产企业均采用了基于化学气相沉积法批量制备碳纳米管的工艺。

2 碳纳米管的应用分析

作为一种性能全面、优势显著新型材料，碳纳米管凭其优异的电学、力学、化学等性能，在锂离子电池、复合纤维材料、碳基芯片以及航空航天、生物医疗、国防军工材料等多项领域显示出巨大的应用潜能，具有广阔的应用前景。
2.1碳纳米管在锂电池领域的应用
现阶段，碳纳米管凭借其优异的导电性，可以作为一种新型导电剂应用于锂电池领域。碳纳米管的长径比、碳纯度作为影响导电性的两个核心指标，直接决定了碳纳米管的产品性能，碳纳米管管径越细，长度越长，导电性能越好。
相较于传统导电剂，达到同样的导电效果，碳纳米管的用量仅为传统导电剂的1/6～1/2。而且碳纳米管可以使锂电池循环过程中保持良好的电子和离子传导，从而大幅提升锂电池的循环寿命。
技术进步和规模化效应有望推动碳纳米管大规模应用，未来五年全球碳纳米管导电浆料需求量将持续保持快速增长的趋势，增长主要来自以下几个方面：

1）随着全球“净零排放”以及国内“双碳”目标的推进，新能源汽车行业的快速发展带动下游锂电池企业需求持续增长；

2）锂电池装机规模不断提升，电池企业对于导电浆料等电池材料的需求量持续增加；

3）动力电池企业为追求对电池性能的全面提升，多采用碳纳米管导电浆料替代传统导电剂，使得碳纳米管导电浆料的需求保持高速增长，市场渗透率不断提升；

4）高镍正极、硅基负极等锂电池新技术市场逐渐放量，拉动碳纳米管导电浆料需求进一步提升；

5）储能领域的快速发展以及需求的持续提升，为锂电池行业提供了新的市场空间。

据预测，到2025年，碳纳米管导电剂在动力电池领域的市场份额占比将超过60%，成为动力电池领域的主流导电剂。到2025年中国碳纳米管导电浆料出货量将突破84万吨，成为锂电池导电剂领域成长性最高的领域。

2020-2025年中国碳纳米管导电浆料出货量分析及预测 

2.2碳纳米管在其他领域的应用
（1）导电塑料领域
在填充型导电塑料中，塑料本身并不具备导电性，只充当了结构材料的作用。导电性主要是通过混合在其中的导电的物质如碳材料、金属粉末、抗静电剂等获得。这些导电性物质称为导电填料，它们在填充型导电塑料中起着提供载流子的作用。
碳纳米管作为新一代碳系导电填料，可以解决目前传统炭黑遇到的性能瓶颈难题。由于碳纳米管具有更优异的导电性能，因此达到同样甚至更好的导电效果，其添加量仅为传统炭黑的1/5-1/15，不会因添加量过大而产生脱碳污染的问题，是近年来对于高端导电塑料争相开发使用的添加剂。
（2）芯片制造领域
在碳基芯片的应用方面，碳纳米管凭借优异的机械性能、电学性能以及化学稳定性能，可以保证碳基芯片在高温、极寒、辐射以及振动等极端环境下依然可以正常工作，使其具有强大的耐久性和热稳定性，并能兼具高速和低功耗属性，有效扩充了存储器的使用边界，并大大提高了其使用寿命。
在芯片制造领域，碳纳米管作为基材的应用已经取得技术性突破。如美国Nantero公司已成功研发出一种基于碳纳米管进行信息存储的新型非易失性存储器（NRAM®）。目前，国内的天奈科技已经与该公司展开合作，高纯碳纳米管产品也已经开始送样测试。
（3）作为添加物与金属基材组成复合材料
以金属或合金为基体，添加碳纳米管组成的复合材料，被称为碳纳米管增强金属基复合材料。相较于单一的金属或者合金材料，碳纳米管增强金属基复合材料一般具有轻量化、高强高韧、耐腐蚀和耐高温等优势，已经成为航空航天、国防及汽车等新材料领域关注的热点。
（4）吸附材料
碳纳米管因其具有的sp2杂化、较高的比表面积以及通透的孔道结构，对有机物、重金属离子等污染物具有优良的吸附性能。
（5）改性材料
在橡胶中添加碳纳米管可以显著提高橡胶产品的导电、导热和力学性能；在纺织工业中，碳纳米管在导电、阻燃、防皱、防油防水、防紫外线、抗菌等方面均可发挥重要作用；添加碳纳米管到润滑油产品，可改善润滑油的润滑性能，减小摩擦，降低磨损；含有碳纳米管的涂层，可以利用碳纳米管的化学稳定性以及导电导热性，添加至油漆等材料中，以达到更好的防腐效果；碳纳米管在沥青抗断裂性、疲劳寿命等方面的增强效果也得到了广泛印证。

碳纳米管材料未来可能的应用领域 

 3 碳纳米管规模化应用的关键

碳纳米管作为一种新型纳米材料，从概念提出到结构表征、理论分析、宏量制备和实际应用均需要花费很长的时间及巨大的投入，其中如何实现宏量制备是碳纳米管实现商业化的关键步骤以及技术难点。在生产过程中，碳纳米管极大的长径比以及相互缠绕形成的聚团使得碳纳米管的有序生长极难控制，因此从实验室制备到工业化生产的进程中存在较大的工程难度与技术挑战。

此外，相对于多壁碳纳米管，单壁碳纳米管的性能更优异，具有更小的管径、更高的比表面积、更好的石墨化程度等本征特性，具有多壁碳纳米管所不具备的优异性能。但同时单壁碳纳米管的制备难度也更高，目前在全球范围内只有极少数厂商能够规模化生产单壁碳纳米管。

进入21世纪以来，在以天奈科技为代表的企业、清华大学等高校以及中科院研究所等科研机构形成的“产、学、研”体系的共同引领下，我国已实现了碳纳米管的宏观量化生产。天奈科技纳米聚团流化床宏量制备碳纳米管技术解决了碳纳米管无法连续化宏量制备生产的难题。但是也依然面对很多问题。尤其是单壁碳纳米管的制备技术虽已有很大的改进，但是成品的碳纳米管仍是各种直径、各种手性、金属性和半导体性的碳纳米管混合物。而且单壁碳纳米管间的范德华力，使其容易聚集成束或缠绕在一起，这些都严重制约了碳纳米管的应用。

4结语

碳纳米管是国际材料科学的前沿领域，是碳材料中最具开发潜力的新型材料之一，碳纳米管材料的发展有利于我国实现新材料强国的战略目标。经过多年的研发，以天奈科技为代表的碳纳米管企业通过自主研发，已经成功将碳纳米管材料导入到了锂电池导电剂应用领域，与我国新能源产业的发展深度融合，相互促进。未来，碳纳米管更多领域的应用与拓展，还需提升技术、降低成本。