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不同类型的导电剂由于空间结构、产物形貌、接触面积的不同，对锂电池的能量密度、倍率性能、寿命性能和高低温性能产生不同的影响。其中碳纳米管具有导电性能优良、添加量小、阻抗低等优点。

有利于提高锂离子电池的能量密度，改善电池的循环寿命性能，有望加速替代传统导电剂。本文将带您进一步了解碳纳米管。

什么是碳纳米管

碳纳米管（CNT）是一种典型的一维纳米材料。碳纳米管是结晶碳的同位素，结构上呈蜂窝状一维中空纳米管，其中CC原子以sp2杂化形成共价键。

根据碳纳米管的壁数，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。根据碳纳米管的结构特点，可分为扶手椅型、锯齿型和螺旋型三种。螺旋碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅形碳纳米管不具有手性。

碳纳米管的性能优势

●最高比强度：

连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界中最稳定的化学键。碳纳米管具有极高的拉伸强度和弹性模量。同时，碳纳米管的密度仅为钢的1/6，是目前可以制备的比强度最高的材料。

●灵活性强：

碳纳米管坚固但不易碎。当对碳纳米管进行弯曲或沿轴向施加压力时，即使外力超过欧拉强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，并且当外力释放后，碳纳米管恢复到原来的形状。

●导电性好：

碳纳米管的结构与石墨的片状结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻与其长度和直径无关，电子穿过碳纳米管时不会产生热量来加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光纤电缆中的传输一样，能量损失小，是优良的电池导体。

●良好的储氢性能：

碳纳米管本身具有较高的比表面积，经过处理后，具有优异的储氢能力。

●优越的嵌锂性能：

碳纳米管的中空管腔、管间间隙、管壁层间间隙以及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和传输通道。

●化学稳定性：

碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸、耐碱的特性。在聚合物复合材料中添加碳纳米管，可以提高材料本身的耐酸性和抗氧化性。

碳纳米管的应用

从碳纳米管产业链来看，产业链上游是石油化工行业，主要原材料是丙烯、NMP、分散剂等。中游碳纳米管导电剂主要包括导电浆料和导电母粒，分别用于锂电池和化工企业。

具有高强度、高导电、导热等优良性能。其下游应用主要涵盖新能源汽车产业、3C数码产业、半导体产业、储能电站及电力基础设施领域以及化工企业导电塑料企业。

碳纳米管的大规模商业应用需求主要来自锂电池和导电塑料领域，其中80%以上的需求来自于锂电池。碳纳米管和石墨烯属于新型导电剂材料。碳纳米管在活性材料之间形成线接触导电网络，石墨烯在活性材料之间形成面接触导电网络。

从碳纳米管下游需求结构占比来看，锂电池服务行业占比较重，达到86%；导电塑料企业占比较低，仅占14%。

碳纳米管的制备方法

碳纳米管的合成方法主要有三种：电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。其中，电弧放电法反应温度高，碳纳米管生长速率快，且制备参数不易控制，因此其精细结构难以控制。

由于激光蒸发法价格昂贵、设备复杂，目前较少采用。化学气相沉积（CVD）是分解含碳化合物提供碳源，然后在金属催化剂的作用下实现碳纳米管的生长。该方法生长温度低、参数易调整、产品收率高、碳纯度高，是目前业内应用最广泛的技术。

圆弧法

电弧法是最早用于制备碳纳米管的方法，也是最重要的方法。其主要技术是：在一定压力下向真空容器内充入惰性气体或氢气，采用掺杂催化剂（金属尖、钻头、铁等）的石墨作为电极。当阳极石墨在电弧放电过程中蒸发并消耗时，碳纳米管沉积在阴极石墨电极上，从而产生碳纳米管。

激光蒸镀法

其原理是利用激光束照射含有金环的石墨靶材使其蒸发，同时与一定的反应气体结合，使碳纳米管沉积在基板和反应腔壁上。

催化热解

又称化学气相沉积，含碳气体流经催化剂纳米粒子表面时分解生成碳原子，在催化剂表面形成碳纳米管。催化热解法根据催化剂存在方式的不同又分为基质法和漂浮法。

基质法以石墨或陶瓷为载体，将催化剂附着在其上，在高温下通入含碳气体，使其分解，在催化剂颗粒上生长碳纳米管。浮选法是将催化剂前驱体直接加热使其气态，同时与气态氢气一起引入反应室，在不同温度区分别分解，分解后的催化剂原子逐渐聚集成纳米级。尺寸颗粒，漂浮在反应空间中的分解碳原子沉淀在催化剂颗粒上形成碳纳米管。

碳纳米管市场格局

从全球碳纳米管市场需求来看，碳纳米管市场需求持续增加。数据显示，2019年全球碳纳米管粉末和碳纳米管浆料需求量分别为1万吨和3万吨。

2020年全球碳纳米管粉末和浆料需求量分别为2万吨和4万吨。2021年，全球碳纳米管粉末和浆料需求量将分别为4000吨和9万吨。预计到2025年，全球市场碳纳米管粉体需求量将达到2.4万吨，碳纳米管浆料需求量将达到59万吨。

碳纳米管核心技术指标

两个核心指标：碳纳米管的长径比（长径比）和碳纯度。碳纳米管长径比的增加有利于提高其导电率，可以进一步提高锂电池的倍率性能，并且可以通过较少的添加来增加正极活性材料的含量，从而提高能量密度。

碳纯度：金属杂质（特别是铁）会增加动力锂电池的自放电，增加电池的安全隐患。因此，动力锂电池对碳纳米管导电剂的纯度要求较高。

碳纳米管快速发展的障碍

现阶段碳纳米管价格较高，下游接受需要一个过程。未来，随着市场接受度的提高和规模化产业化的普及，碳纳米管导电剂价格的持续下降，有望加速碳纳米管对炭黑的替代进程。预计到2025年，碳纳米管的市场份额将超过炭黑，成为市场主流。

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来源：锂电材料公众号

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