碳纳米管优势、制备工艺、需求与应用前景分析

最佳答案 匿名用户编辑于2025/08/19 10:41

碳纳米管相较其他导电剂,综合性能优异。

一方面,碳纳米管与炭黑类、导电石墨类 和 VGCF 等传统导电剂相比。大部分传统导电剂主要提供点与点的接触,而碳纳米管与活 性物质颗粒接触时,能够形成线状的接触区域,从而提供更多的接触点和更大的接触面积, 因此碳纳米管导电性更好。此外,由于碳纳米管具有较大的长径比,在浆料的分散过程中 能够形成缠绕交联的网络结构,有效避免了充放电过程中由于膨胀和收缩而导致的接触不 良问题。另一方面,碳纳米管与石墨烯导电剂相比。由于碳纳米管是卷起来的石墨烯,因 此碳管是三维结构,石墨烯是二维结构,碳管的结构性能优于石墨烯,硬度、韧性、导电 性、导热性、稳定性更为突出。

碳纳米管制备上主要采用化学气相沉积法(CVD)。碳纳米管浆料从生产上主要分为 粉体制备以及分散两个主要环节,粉体经过分散、研磨生成浆料。而碳纳米管粉体的制备 主要采用化学气相沉积法(CVD),该方法将含碳气体引入到含有催化剂的高温管式炉中, 通过催化裂解方式,碳原子沉积生长为纳米管;再经提纯、粉粹生成粉体。

相较于多壁,单壁碳纳米管制备工艺对催化剂和反应温度等参数控制有更高要求。单 壁与多壁碳纳米管都采用 CVD 工艺,CVD 工艺可控制单壁(SWNT)或多壁(MWNT), 纯度高、定向性好。工艺区别在于参数要求不同,单壁工艺对催化剂、反应参数控制要求 更高。单壁在催化剂制备过程中,需要优化催化剂的结构与配方;在单壁碳纳米管粗粉制 备过程中,需要通过精确控制反应温度、气体流量等参数,使碳源气体在催化剂表面分解 并形成单壁碳纳米管。

快充动力电池加快上车,碳纳米管作为提升电池快充性能的重要辅料,需求有望快速 提升。目前上市新车主流电池的充电倍率已达 2C,主流动力电池产品倍率性能从 23 年的 1.3-1.7C 升级至目前的 1.7-2.5C。25 年高端车型的电池倍率将朝着 5-6C 的方向发展;中 低端车型则会向 3-4C 迈进;混动车型也将突破 2C。碳纳米管作为提升电池快充性能的重 要导电剂辅材,需求有望逐步释放。向前看,未来电池向高容量高倍率迭代过程中,三元 高镍化+铁锂快充+硅碳渗透+固态等将持续提升碳纳米管需求。

1)三元向高镍高电压发展,碳纳米管需求用量进一步提升。 三元向高镍高电压发展,三元微裂纹和导电性不足易导致电池稳定性不足。高镍化是 提高三元材料能量密度的有效途径,但随着镍含量的提高,高镍三元正极材料的稳定性较 常规三元材料更弱,主要的表现形式是循环充放电过程中产生的容量损失和导电性减弱:1) 应力诱导微裂纹是容量损失的重要因素:镍含量超过 80%时,内部应力引起晶粒内部的晶 界之间产生裂纹和孔隙的现象。部分晶粒容易离开正极独立存在,导致正极材料阻抗增加; 2)导电性不足:高镍三元正极材料(如 NCM811、NCM90)中镍含量超过 80%,虽提高 了比容量,但钴与锰含量的降低导致材料导电性下降,且循环过程中体积膨胀显著,进一 步破坏导电网络。

高镍化下,提高碳管添加量可弥补三元不稳定性问题。目前半固态及全固态电池正极 材料主要选用高镍三元正极,三元高镍占比提升下,碳纳米管的高弹性模量和抗拉强度可 缓冲材料体积膨胀应力,维持电极结构的完整性,减少材料在充放电过程中的体积变化和 结构劣化。因此,未来通过添加比常规三元正极更高含量的碳管,能够较好解决高镍三元 正极材料存在的稳定性问题。

2)硅碳负极应用扩散,碳纳米管有望成负极必需品。 碳纳米管有望成负极必需品。动力电池企业正在推进动力电池充放电倍率从 1C-2C 向 4C-6C 发展。硅碳负极材料的结构中存在更多的“通道”、更快的“路径”和更大同时接 纳锂离子的“面积”,这使得锂离子在硅碳负极中嵌入与脱出的速度更快,有利于获得更 高的倍率性能。但硅基负极存在包括导电性差,体积膨胀大,以及表面性质不稳定的问题。 碳管因具有优异导电及力学性能,化学稳定性好,被视为硅负极中优异的导电剂。在硅碳 负极中添加碳纳米管导电剂具有的优点如下:(1)为电化学反应提供电子途径;(2)形 成一个灵活的网络结构,以缓冲循环过程中发生的显著体积变化;(3)提供机械骨架,分 散活性物质和加速离子传输。碳管一维管状结构可以作为骨架,构建优秀的远程导电网络。

3)铁锂快充渗透,碳管成为高倍率铁锂材料必备添加需求。 高倍率电芯在充放电时电流较大,需要比常规铁锂更高的导电性来减少内阻和能量损 失。碳纳米管的导电率高,比表面积利用率大,在充放电过程中表现出良好的循环寿命, 是提升铁锂倍率性能的较好方案。

4)固态电池产业化,碳管应用打开新增量。 相较液态体系,固态电池碳管需求增量明显。固态电池相较液态电池,由于离子在固态 电池界面的迁移相对缓慢,为改善导电性,添加更多碳纳米管是掺杂提升性能的方式之一。 由于碳管具备较高的导电性,加入固态电池的正负极和电解质中,能够增加材料导电性与界 面接触性能,有效改善固态电池导电性较低的问题。