第六代低添加量碳納米管導電劑技術新沖破

經過近十年的推廣，在鋰離子電池行業中碳納米管作為替代炭黑（或石墨類）的導電劑，其使用已經越來越普及。除了動力電池，在數碼電池里碳納米管導電劑也開始使用。碳納米管導電劑的添加量比常規的炭黑導電劑大量減少，同時能使粘接劑的用量降低至原來的50%左右，對鋰電池有綜合的分明好處。

經高工產研鋰電研究所(GGII)調研和預計，在將來五年，全球碳納米管導電劑漿料需求量將保持40.8%的年復合增長速度，2023年需求量將達19.06萬噸。

2014-2022年中國碳納米管導電漿料市場規模分解及預測（萬噸）

（數據來源：高工產研鋰電研究所（GGII））

國內碳納米管導電劑市場現如今已經在10億元每年左右，隨著動力電池產業的快速增長，預計到2022年將達到45億元的國內市場。加上碳納米管另外的電池使用市場，逐漸會成為百億級的市場。

2014-2022年中國碳納米管導電漿料產值分解及預測（億元）

（數據來源：高工產研鋰電研究所（GGII））

受益于電池導電劑市場需求規模的繼續增長，國內已有多家上市公司涉及碳納米管導電劑業務，例如貝特瑞、德方納米、道氏技術。還有多家相關公司在籌劃IPO，例如中科三順、鎮江天奈等。往日做石墨烯的多家公司也悄然介入碳納米管行業。碳納米管導電劑的百億級將來方向吸引了眾多企業爭相進入，希望能分一杯羹。

目前做碳納米管的公司技術水平和產品結構類似，大體呈現低水平重復建設，小、散、亂的局面。知道碳納米管導電劑行情的老板，投入資金，買到技術和圖紙，就又會形成一家技術水平和設備相近的公司。據筆者不完全統計，國內目前已有十多家從事碳納米管粉體加工相關的國內企業。

目前世界范圍內，加工碳納米管的公司規模都不大，很少有碳納米管粉體加工規模超過千噸級的，還談不上靠加工規模和資本規模形成優點。對這樣的精細新材料行業，最緊要的是產品的性能指標和技術水平。誰能推出性能更好，成本又更低的產品，就可以占領市場。從技術進步中榨取利潤，通過技術進步來提高性能和降低成本，擊敗缺乏研發和創新，只靠低價格競爭的對手，結束碳納米管導電劑行業無序擴張的局面。

中國國內來說，碳納米管技術的開發大體經過以下幾個階段：

1、第一代碳納米管加工技術，以能實現碳納米管噸級加工為主要目標，對管徑和導電性之類指標，沒太大要求。加工的碳納米管直徑在10-30nm左右，通過移動床/流化床實現了大批量噸級加工。

2、第二代碳納米管技術，通過對催化劑的調控，實現了10nm左右碳納米管的生長，加工出來的碳納米管是幾百微米聚團結構，對更細管徑和定向結構沒什么追求。

3、第三代碳納米管技術，通過層狀無機載體的調控，實現了碳納米管的定向結構生長，在實際批量放大的時候，碳納米管的管徑在7-11nm，比表面230-300m2/g。因為碳納米管產物里含有硅元素，純化比較麻煩，純化到電池級成本高。

4、第四代碳納米管技術，國內好幾個公司正在逐步定型的技術，低密度易分散小管徑碳納米管，比表面在250-350m2/g，堆密度0.01-0.02g/ml。因為碳納米管產物密度比較低，所以用流化床加工很辛苦，因為單位體積的反應器加工能力和產物的密度成正比。過程的可控性有波動，批次差異分明，均勻管徑8.幾nm的碳納米管。做催化劑過程效率低，成本高，萌生很多廢水，環保壓力大，碳納米管加工成本高。

5、第五代碳納米管技術，趙社濤2018年開發了一種低密度薄壁陳列碳納米管，是陳列式的碳納米管，蓬松易分散。碳納米管的層數在2-4層，是薄壁的碳納米管，比表面450m2/g左右。碳納米管的管徑在3-8nm，是小管徑的碳納米管。但是也是密度低，約莫0.01-0.02g/ml，加工效率比傳統碳納米管低很多。

（第五代陳列式薄壁小管徑碳納米管，具有3-8nm的外徑，非常平均，沒有粗管）

6、第六代碳納米管技術，趙社濤于2019年，逐漸定型了一種和傳統碳納米管加工工藝兼容的小管徑薄壁碳納米管技術，兼容于傳統流化床或移動床設備，可以高效、低成本加工高導電性碳納米管，產物堆密度0.05-0.07g/ml，催化劑倍率9-40倍之間可以調節，均勻管徑6.0-7.5nm左右，可以形成多種規格。催化劑可以簡易、高效率的大批量加工出來，工藝環保，處理了高質量碳納米管大批量加工的瓶頸問題。利于使用一般的碳納米管加工設備按照正常效率加工，因為反應器的體積確定后，加工效率是和產物的密度成正比的。

因為管徑細，層數薄，缺陷少，導電性高，相比第四代碳納米管技術，可以大量減少添加量。在三元鋰離子電池了，提議添加量為0.15%-0.30%。

（第六代小管徑碳納米管典型透射電鏡照片）

第六代小管徑碳納米管規格表

第六代碳納米管，金屬含量為鈷，含量小于0.25%-1%wt。對比俄羅斯某公司單層碳納米管，其金屬含量為15%，而且是鐵金屬。

一般來說，碳納米管小管徑薄壁的特性和催化劑的高收率互相矛盾，很難兼得，制造成本很高。但是趙社濤工藝的第六代小管徑薄壁碳納米管催化劑倍率高，制造成本和傳統一般的多層碳納米管相近，而且使用現有碳納米管加工設備就可以加工。碳納米管的管徑越小，層數越薄，導電性就越好，在鋰離子電池里的添加量就越少，在相同制造成本下，性價比就越高。

在碳納米管大型化加工設備方面，經過10多年的工藝、催化劑、使用和下游市場不斷踐行，趙社濤創新設計了一種大型碳納米管反應器，單個反應器有望達到每年1000噸以上的加工量。通過大型化的碳納米管反應器，碳納米管的加工流程才能逐漸接近工業加工的要求，大大降低碳納米管的加工成本和銷售價格，具有極強的競爭力。高工鋰電研究所2017年報道過本人在碳納米管反應器方面的進展。

通過碳納米管加工工藝的繼續升級，推出更有競爭力，導電性更好的低成本、小管徑、高收率碳納米管品種，結合碳納米管加工設備的大型化，有望改變目前碳納米管產業無序低水平重復建設的局面。采用趙社濤的第六代薄壁小管徑碳納米管技術，將有望具備碳納米管行業最強的競爭力和盈利能力之一。

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