低成本和低投资门槛碳纳米管生产技术的新突破——天然气为原料生产锂电池用碳纳米管

碳纳米管是20世纪90年代日本科学家Iijima先生（Iijima Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）发现的新材料，是石墨化的碳原子卷曲而成的纳米级无缝中空管状结构。碳纳米管的物理结构就决定了，碳纳米管具有多种优异的力学、热学和电学性能。例如，碳纳米管的导热性是铜的5倍，拉伸强度达到50～200GPa是钢的100倍，密度是钢的1/6。

 
以碳纳米管在新能源电池行业的应用作为案例来分析，锂电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、导电剂、结构件、BMS等构成。各种材料占锂电池的成本，大致如下：

动力电池的成本构成
正极	18%-38%
负极	6%-9%
电解液	5%-9%
隔膜	4%-8%
导电剂	2%
结构件	23%-28%
BMS	8%-12%
其他	8%-17%

 
如果投资锂电池的正极材料，资金动则几十亿人民币起步，而且竞争激烈。例如，2021年2月4日，中核钛白发布公告称，拟通过全资子公司东方钛业投资建设年产50万吨磷酸铁锂项目，预计总投资121亿元，皆为公司自有自筹资金。2021年6月，湘潭电化也公告，通过参股公司湖南裕能在贵州新建年产30万吨磷酸铁和30万吨磷酸铁锂，投资总额为70亿元；湖南裕能还拟在昆明市建设年产35万吨磷酸铁和35万吨磷酸铁锂项目，预计总投资100亿元。
 
导电剂在锂电池里占比少，但是对锂电池的性能具有很大的影响。锂电池的导电剂，有不同的种类，都是各种不同结构的碳材料。包括类球形的炭黑（颗粒直径数十nm级），片状的石墨片，以及一维线状的碳纳米管。所有不同种类的锂电池导电剂中，以碳纳米管的添加量最少，性能最好，市场占比最大。
 
锂电池的负极、隔膜、电解液、铜箔等产业链，投资资金动则也是十亿元起步。与之不同的是，虽然导电剂的成本，大致只占锂电池的2%左右。但是，由于锂电池行业现在已是万亿级的大产业，所以现在锂电池导电剂也成为了大的产业，具有巨大的前景和光明的前途。
 
经国内多家机构调研和预计，一致认为在未来五年，全球碳纳米管导电剂浆料需求量将保持40.8%的年复合增长速度， 2023年需求量将达17.72万吨。国内碳纳米管导电剂市场，随着动力电池产业的快速增长，预计到2023年将达到62亿元的国内市场产值。由于固态电池内部比液态电池导电性更差，需要添加更多的碳纳米管导电剂，来提高其内部的导电性。以后，随着固态电池的产业化会导致隔膜和电解液的取消，但是会利好碳纳米管导电剂产业。随着锂电池高镍正极、硅基负极和固态电池等新技术应用规模扩大，碳纳米管的使用量会进一步大量增长，未来单是在锂电池领域就会成为每年百亿级的市场。
 
碳纳米管作为锂电池产业链里的导电剂，只是碳纳米管产业化的“冰山一角”，是资本和传统新材料企业认识碳纳米管的第一步。更重要的是，1996年诺贝尔化学奖得主尊敬的Richard E. Smalley先生曾教导我们，“碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的分子，同时是最好的热和电的分子导体”。碳纳米管在芯片、晶体管、生物医疗、太阳能光伏电池、轮胎、燃料电池、药物输送、储氢、高分子材料、电容器、复合材料等会有更广阔市场，会持续突破更多的大市场，未来有望成为一个千亿级市场的产业。
 
国内的碳纳米管企业也在此时进入了快速发展阶段，已经有天奈科技、道氏技术等多家知名企业介入碳纳米管业务，且每年能实现数亿的利润。
 
目前，国内的碳纳米管生厂商基本选择丙烯作为碳源，流化床作为生产设备的技术路线。丙烯是特种低温石化化学品，其供应商较少，长途运输成本很高。而且，丙烯的采购和使用有严格的监管要求。
 
新建一个类似的大型碳纳米管生产工厂，投资资金动则几个亿，门槛较高。高昂的投资资金门槛，挡住了很多想介入碳纳米管和新能源碳材料行业的投资者。
 
有鉴于此，赵社涛团队在二十多年碳纳米管研发和生产经验的基础上，坐冷板凳持续钻研，终于开发出了一种适用于中小型企业，能大幅度降低投资门槛的天然气生产碳纳米管新技术。该技术，以天然气或纯甲烷为原料，在较高的催化剂倍率下，生产出符合锂电池工厂要求的碳纳米管。只有较高的催化剂倍率，才能控制住天然气生产碳纳米管的生产成本。天然气是一种容易获取的工业原料，广泛分布于国内各个城市。而且天然气，直接连接管道就可以使用，不需要运输和储存装置。不像丙烯是危险的特种石化化学品，需要储存装置和设施。天然气的吨使用成本，也远小于远距离运输到工厂的丙烯吨成本。
 
该技术以天然气为原料能生产出符合锂电池大型工厂要求的，平均管径10nm-20nm碳纳米管，碳纳米管一次纯度能达到90%—96.5%。
 

 



 

 
相比目前主流工厂采用的丙烯+流化床工艺生产的碳纳米管，赵社涛团队新开发的天然气生产碳纳米管新技术，具有较高的催化剂倍率和较低的天然气原料吨成本，从而具有更低的生产成本优势。
 
而且，该技术还能和移动床生产设备兼容。众所周知，移动床的设备投资成本远小于流化床，操作难度也远小于流化床。移动床设备的交货周期，安装周期也比流化床生产设备大大缩短。使用赵社涛团队突破的天然气生产碳纳米管新技术，结合移动床设备，就能让广大中小企业，大幅度降低投资门槛的入局，介入碳纳米管和新能源材料产业，还能获得更低的生产成本竞争优势。对此技术突破感兴趣的，请联系赵社涛。