最具潜力的电子材料

原创 TechSugar 2023-12-18 08:00

从电机控制到光伏逆变器：电流传感器的跨领域设计考量 开放·连接 2025玄铁RISC-V生态大会

近年来，主要得益于锂离子电池的推动，多壁碳纳米管（MWCNT）市场蓬勃发展，年产量约为数千吨，很快将达到10万吨，因为主要市场参与者都在扩张产能。而单壁碳纳米管（SWCNT）产量仍低于100吨，还在寻找杀手级应用。

根据卷起的石墨烯片材层数，碳纳米管（CNT）结构可以分为单壁CNT（SWCNT，也叫石墨烯纳米管）和多壁CNT（MWCNT）。

顾名思义，SWCNT是单层石墨烯薄片卷成一根管子，其独特物理性能使其成为一种通用添加剂，在全球50%的材料市场都有潜在应用。MWCNT是多层石墨烯薄片卷成的管子，主要应用从热界面材料（TIM）到涂层，也是储能和聚合物的添加剂。

根据IDTechEx对CNT技术、市场和趋势分析，受储能应用推动，到2032年，其年需求量将超过7万吨，CNT的重要的商业增长时刻即将到来，随之而来的将是扩张、合作、收购和更多的市场采用。

面对就要到来的新的扩张时代，我们来看看一些参与CNT市场的公司近些年做了什么。

最大的SWCNT生产商

迄今为止，卢森堡独角兽企业OCSiAl是唯一一家拥有可扩展SWCNT工业合成技术的公司好最大的生产商。它使用浮动催化剂方法生产SWCNT，虽然纯度和长度落后于SG（超增长）法，但更容易实现大量生产。

目前，OCSiAl在俄罗斯的产能为90吨/年，但显而易见其受地缘政治已影响明显。它已计划投资3亿欧元在卢森堡建立一个设施，预计将于2025年投入运营。

2021年，OCSiAl筹集了大量资金，投资者对其估值约为20亿美元，储能应用是主要驱动因素。日本氟技术巨头大金工业也对其进行了CVC投资，双方自2018年以来一直在合作，并共享了电化学设备专利。2019年底OCSiAl成立了上海技术中心。

作为SWCNT的主要参与者，OCSiAl的新生产设施于2020年初投入运营，产能为50吨/年；2021年中接受大金投资，将再增加25-30吨/年产能，总计80吨/年。OCSiA1制定的最终目标是建立3000吨/年的生产系统。

SWCNT日本欲先入为主

日本大金入股了SWCNT龙头，其他日本企业也没闲着。已成立72年的ZEON（瑞翁）一直活跃在这一领域，2004年首次开发“超增长”方法，生产出ZEONANO的产品，据称纯度超过99%，高于竞争对手。其基础材料广泛应用于汽车各种零部件。

随着近年来电动汽车的普及，ZEON还致力于锂离子电池材料和感应相机材料的研究，2021年5月，成功开发出一种添加单分子层CNT的高柔软度和高导电性医用硅橡胶复合材料，计划应用于可穿戴设备和医疗器械等领域。

致力于SWCNT研究与开发的另一家日本公司是2005年4月成立的Meijo Nano Carbon，由日本名城大学的安藤义雄（Yoshinori Ando）教授领导。CNT和石墨烯的制造和销售是其主要业务，主要采用电弧放电蒸发法制备SWCNT；此外，还使用樟脑植物原料大量制造MWCNT。

最近，Meijo不仅合成了CNT，还合成了各种形式的CNT，如分散液、薄膜和丝状物，且处理更容易完成。此外，石墨烯制造也已开始。

Meijo还通过增强直接注入热解合成（eDIPS）法及电弧放电合成SWCNT。Zeon解释说，通过SG方法生产的CNT与Meijo生产的具有互补特性。由此可见，这一领域的参与者正在追求CNT下一代材料的差异化，以期获得更大的发展。

MWCNT国际竞争加剧

再看MWCNT市场，大多数厂商采用催化CVD（化学气相沉积）工艺，但MWCNT生产及其后处理方式仍有待技术和经济上的改进。从地理位置看，主要制造商和供应链都集中在东亚地区。下图是采用CCVD工艺（催化化学气相沉积）的实验室规模CNT合成反应器。

趋势表明，MWCNT大多应用于储能市场，可以作为当前和下一代锂离子电池中任一电极的导电添加剂。一些公司正在这方面取得巨大进步，随着不可避免的合并，增长正在到来。

头部企业LG Chem在接受采访时表示，2019年末至2020年初公司开始大幅扩产，目前2家工厂总产能1700吨/年。第一个工厂500吨，2021年上线的第二个工厂1200吨/年。到2023年，第三个工厂产能将达到1200吨/年，总产能达2900吨。

LG Chem的相关受访者表示：“我们拥有世界上最大的单条生产线，采用自研的单层流化床反应器。在单个反应器中大量生产，CNT的性能（如BET）变化不大。”LG Chem使用钴（Co）基催化剂，钴对电池性能没有影响，由于其Fe（铁）含量较低，产品更安全。

据介绍，目前韩国、中国和日本的主要电池公司正在测试LG Chem的CNT，预计不久将实现销售。

该受访者也表示，CNT主要用作导电材料，阴极和阳极都可用。至于电池类型，EV、小型电池和ESS都有可能。除储能市场，LG Chem主要专注导电塑料市场，如导电硅树脂、橡胶、涂料或导电纤维等。

他明确表示，Cnano（天奈科技）是主要竞争对手；另外，韩国JEIO和Kumho也是竞争对手。

那来看看天奈科技的融资和扩张计划。天奈科技成立于2011年，是一家致力于CNT、石墨烯研发、生产及应用开发和销售的高新技术企业，产品包括CNT粉体、CNT导电浆料、石墨烯复合导电浆料、CNT导电母粒等。最近两年天奈科技的CNT导电浆料产品销售额稳居国内首位。

天奈科技拥有40余项MWCNT、SWCNT制备的国际专利，以及CNT大批量生产专业技术；也是主导制定的CNT导电浆料国际标准（ISO/TS 19808）的中国代表。

2022年5月，天奈科技公告称，拟投资约30亿元建设天奈科技西部基地项目，生产CNT及相关复合产品。其中一期两个阶段将建设年产10000吨CNT生产基地，包括年产5000吨MWCNT及800吨氢气（副产）；二阶段拟建设年产5000吨MWCNT及800吨氢气（副产）。不过，公司在SWCNT制备方面尚无动静。

还有一条新闻也必须关注：创立于1882年的美国全球特殊化学品和高性能材料公司卡博特（Cabot Corporation）对深圳三顺纳米（SUSN）的收购。卡博特的产品组合之一是ATHLOS™ 碳纳米结构颗粒，可为高性能应用提供最佳的导电性、EMI屏蔽和机械强度；另一个是石墨烯基材料，利用二维形态想广泛应用的性能增强。

2020年4月，卡博特斥资1.15亿美元完成对全球第二大CNT生产商深圳三顺纳米的收购，卡博特亚太区总裁朱戟表示：“CNT是储能领域增长最快的导电碳添加剂，我们还致力于高深宽比CNS（碳纳米结构）产品。收购主要是为了进一步拓展我们在中国市场的研发能力和制造能力，丰富我们的终端产品品类，提供更好、更全面的锂电池导电剂解决方案。”

此次收购属于供应链的垂直整合，因为锂电池材料未来的发展方向需要CNT和导电炭黑两者的结合。卡博特的特种炭黑业务加上三顺的CNT，使卡博特成为了全球唯一一家量产导电炭黑、石墨烯、CNT、碳纳米结构并具备分散配方能力的高性能碳材料供应商。

哪些应用最具潜力？

从下图可以看到对MWCNT和SWCNT在市场规模、适用性、进入壁垒和应用潜力等方面的打分。