核心导读
与石墨烯互为“同门好兄弟”的碳纳米管，最近因锂电行业而火了起来。1991年由日本饭岛博士发现，到现在受人青睐，碳纳米管在这20年间历经风雨，几经沉浮，人们攻克了难以大规模量产的难题，碳纳米管也再次“出道“，在锂离子电池中大放异彩。今天，光华科技带您一同了解一下锂电池导电剂“新秀”碳纳米管以及其催化剂。光华科技提供碳纳米管催化剂原料及相关技术支持服务，助力锂电硅碳负极产业。
近年来，随着世界出现能源危机，国家不断深化“双碳”政策，越来越多人开始环保出行、绿色生活，也更多地开始关注新能源行业。在全球碳中和大趋势和国内外新能源行业的快速发展的背景下，动力电池及储能产业市场持续增长，增长的主因便是锂电行业的高度景气。
行业的景气自然会引起人们对产业上下游的关注，锂电行业也不例外。下游方面，2022年上半年，新能源电车在中国销量已突破220万辆。上游方面，锂电池主要由正极材料、负极材料、电解液和隔膜构成。正极材料主要包含三元材料、磷酸铁锂材料、磷酸锰铁锂，负极材料则有石墨类材料和硅材料。各大企业在各结构环节都积极寻求技术创新与突破，仅占锂电池成本2%的导电剂也不例外，新型导电剂碳纳米管也越发受人们的关注。
碳纳米管概述
碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20nm。
碳纳米管结构图
单壁碳纳米管vs多壁碳纳米管
碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs）
| 单壁碳纳米管 |
多壁碳纳米管 |
| 直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性 |
管壁上通常布满小洞样的缺陷 |
| 典型直径在0.6-2nm |
最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米 |
| 较高的长度-直径比 |
典型纵横比较低 |
| 单位质量导热系数大 |
单位质量导热系数小 |
| 导电性强，低添加量 |
导电性弱，添加量稍高 |
*该表格内容均为单壁碳纳米管相较于多壁碳纳米管而言
锂电池中的碳纳米管
碳纳米管拥有极高的强度和极大的韧性，具有良好的导电导热性能，且自身化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，因此碳纳米管在体育用品、橡胶、抗静电涂料、导电塑料、储氢材料及航天材料等多个领域均有广泛应用。
碳纳米管最主要的应用是锂离子电池。因其导电性能优良，长径比极高，碳纳米管作为导电结构与锂离子电池电极材料结合可以获得具有良好电化学性能的复合电极材料，降低锂电池内阻，提高锂电池电极片的粘结强度，从而在不同的应用模式下显著提高电池的容量性能、倍率性能以及循环寿命。
碳纳米管制备工艺
常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法等。
| 工艺类型 |
优点 |
缺点 |
| 化学气相沉积法 |
反应过程易于控制，反应温度相对较低，产品纯度较高，成本低，产量高，适用性强 |
粗产品中结晶度较低 |
| 激光蒸发法 |
可连续操作、产品纯度高、质量好 |
产量低、成本高、难以工业化生产 |
| 石墨电弧法 |
碳纳米管管直、壁薄、结晶度高 |
纯度低，产率低，成本高，且电弧放电过程难以控制，难以工业化 |
| 水热法 |
产品管径小、纯度高、收率较高 |
成本高难以工业化 |
化学气相沉积法是将烃类或含碳氧化物引入到含有催化剂的高温管式炉中经过催化分解后形成碳纳米管。化学气相沉积法也是碳纳米管工业生产的主要方法之一。
催化剂是碳纳米管的“基因”
催化剂作为碳源分解活性中心以及石墨碳沉积中心，它的选取、制备、以及载体的选取也将对碳纳米管的成核、生长速率、密度、分离、纯化等有很大影响，将导致碳纳米管具有不同的形貌和结构，是碳纳米管制备中的重要影响因素。
化学气相沉积法工艺路线
01
催化剂的种类
常见催化剂种类为：金属单质和化合物。研究发现采用二茂铁等化合物的催化活性比同种金属单质的要强，在固体酸的催化下，碳纳米管的生成温度比以金属单质作催化剂的生成温度要低300℃～400℃。在碳纳米管生长过程中，温度过高易造成催化剂颗粒的烧结和集聚，催化剂的失活。另外，化合物催化剂与基底间的作用力比单质金属的弱，易于碳纳米管的提纯。
02
催化剂的颗粒
催化剂颗粒越小，其熔点越低。对于纳米颗粒，表面原子数与颗粒内总原子数之比随颗粒的增大而减小，其表面张力也随之降低。因此，在碳纳米管的生长过程中，厚度较小的催化剂膜在较大的表面张力作用下形成较小的颗粒，而厚度较大的催化剂膜则形成较大的颗粒。
03
催化剂的活性
碳管生长过程中，催化剂活性高，生长温度高，有利于碳的分解，活性碳原子浓度大，有利于碳纳米管的生长。高温下生成的碳管质量较低温生长的碳管好，表面也较干净。其他元素的加入对碳活度的影响，当在催化剂Fe中加入Co、Ni、S等元素时，碳原子活度得到提高，有利于碳纳米管的析出。
催化剂原料的重要性
作为碳纳米管的“基因”，催化剂的理化性质也受到合成原料性质的影响。杂质和非理想组分多时，催化剂容易烧结，寿命缩短。当锡、锌等金属杂质含量多时，不适合做多元催化剂的活性组分且不易形成高质量且杂质少的碳纳米管。在催化剂的合成时，如果原料使用存在缺陷则会导致催化剂的纯度不高，性能不好，造成环境污染和成本高的问题。
光华科技凭借自身丰富的化学品研发生产经验，为碳管催化剂产业提供硝酸镁、硝酸铝、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、50%硝酸锰溶液、碳酸铵、钼酸铵等优质原料和相关技术支持。
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光华科技作为专业专用化学品服务商，可提供碳纳米管催化剂原料及相关技术支持服务。若您对我们的产品和定制化服务感兴趣，可留言光华科技公众号后台，或直接拨打光华科技联系热线（86）020-84382888，光华科技愿随时与您分享最新技术和优质产品。
参考资料
[1]天奈科技招股说明书
[2]碳纳米管-百度百科
[3]秦建杰,王延相,牛芳旭,郑林宝,王兴辉,马连茹,刘群,王成国.催化剂加载对连续碳纤维表面生长碳纳米管的影响[J].材料导报,2017,31(S1):1-5.
[4]蒋雪,江奇,陈建康,陈姿,邓敏,蔡玉东,卢晓英.催化剂对碳纳米管及其电化学储能性能的影响[J].功能材料,2016,47(09):9068-9072.
[5]耿晓菊.催化剂对碳纳米管生长的影响及相关研究[D].重庆大学,2007.
[6]孙亚萍,乔加飞,刘燕,郝卫,王顺森.多元催化剂活性组分及助剂配合对V型火焰法制备碳纳米管的影响[J].化工新型材料,2022,50(06):197-202.DOI:10.19817/j.cnki.issn1006-3536.2022.06.039.
[7]陈玉莲.水热法制备纳米复合粉体催化剂及其合成碳纳米管的研究[D].广东工业大学,2005.
编辑：韦乔曦
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