最接近《三体》“飞刃”技术的材料？碳纳米管，一文看懂这个千亿级新材料！
大家还记得《三体》电视剧中的名场面 -
“古筝行动”吗？👇
▲只有头发丝十分之一粗细的超高强度纳米丝“飞刃”，成功把正在通过巴拿马运河的“审判日”号巨轮，切割成面包片。图源 |《三体》电视剧。
不少小伙伴很好奇
剧中汪淼所研究的“飞刃”技术
在现实中有没有雏形~
国家纳米科学中心正高级工程师郭延军说，目前现实世界中最接近《三体》电视剧中“飞刃”技术的材料是碳纳米管。
被称为“黑金”的碳纳米管
曾被科学家预言
有望成为“彻底改变21世纪”的神奇材料之一
今天我们就来聊聊TA~
什么是碳纳米管？我们的头发缩小1万倍就是它的样子，但它是世界上拉伸强度最强的物质，也是导电、导热最好的材料，还是世界上最黑的材料。
碳纳米管(CNT)，又名巴基管，是一种典型的一维纳米材料。碳纳米管是晶形碳的一种同位素异形体，在结构上为蜂巢状的一维纳米空心管，其中C-C原子以sp2杂化构成共价键。
根据碳纳米管的管壁数，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）；而根据碳纳米管的结构特征又可分为扶手椅形、锯齿形和螺旋型三种，其中螺旋型碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
▲单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的结构示意图
这碳纳米管看着身材纤瘦
好像“SUPER MODEL”
却是个实实在在的大力士噢！
往下看！
碳纳米管重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学性能、导电性能和化学性能。
🌟碳纳米管密度仅为钢的1/6，但抗拉强度却是钢的100倍，最高可达200Gpa；
🌟弹性模量达1.34Tpa，与金刚石相当，是钢的5倍；
🌟碳纳米管的电导率高达108 S•m-1，是铜金属的一万倍；
🌟常温下热导率通常在3000 W•(m•K)-1以上，远超其它金属材料；
除此之外，碳纳米管还具有弹性高、比表面积大、稳定性好和抗疲劳性能等。
▲碳纳米管性能优势。图源：材料PLUS
作为一种被誉为
“崛起的千亿级新材料”
碳纳米管
在诸多领域都有着优异的性能表现
若以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，将给复合材料的性能带来极大的改善。此外，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管因而被称“超级纤维”。
目前，碳纳米管已应用于制作滑雪板、冰球杆、冲浪板等体育器材，采用碳纳米管的高性能胶带也已经上市。
一些初创企业和实验室已经利用碳纳米管进行了微细加工尝试，用于外科医学领域。
波音公司也已申请使用碳纳米管对飞机结构中使用的复合材料进行结构健康监测。
碳纳米管的其他潜在应用包括储能、超级电容器、场发射晶体管、高性能催化和生物医学设备等。
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有导电浆料和导电母粒，分别应用于锂电池和化工企业。
下游主要为锂电池服务的新能源汽车、储能电站和3C数码产业，还有化工企业的导电塑料企业。
▲碳纳米管产业链
目前，商业化且大规模应用的领域
主要集中于锂电池导电剂和导电塑料。
据测算，目前碳纳米管超过75%的需求
来自锂电池导电剂领域。
基于碳纳米管杰出的导电性能，可以制备优良的锂电池导电剂，实际使用过程中，通过提高锂电池正负极导电性进而增强锂电池的能量密度和循环寿命。在全球大力发展新能源汽车的大背景下，动力锂电池市场的高速增长直接带动碳纳米管需求扩张。
▲碳纳米管粉体。图源：深圳烯湾
碳纳米管的优异性能
让众多玩家投身到它的研发和量产过程中
最近又有哪些新动作呢？
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天奈科技
江苏天奈科技股份公司成立于2011年，其生产的碳纳米管相关产品主要应用于锂电池领域，用以提高锂电池的能量密度以及循环寿命性能，并最终应用在新能源汽车、3C产品、储能电池等领域。
据高工产研锂电研究所（GGII）统计分析，2022年中国碳纳米管导电浆料市场总规模达11.7万吨，其中天奈科技市场占有率排第一，市场份额为40.3%。
4月19日晚间，天奈科技公告，拟在眉山投建四川天奈锦城正极材料项目，即年产10万吨锂离子电池高导电新型正极材料生产基地项目，计划总投资约30亿元，其中一期拟建设年产2万吨锂离子电池高导电新型正极材料生产基地，二期拟建设年产8万吨锂离子电池高导电新型正极材料生产基地。
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LG化学
LG化学于2011年正式启动了碳纳米管的技术研发，2013年建立20吨中试生产线，2014年成功研发出电池用材料和导电复合产品，仅在碳纳米管这一领域就拥有250多项专利。
LG化学于2017年开始运营其第一座年产能500吨的CNT工厂，2021年开始运营第二座年产能1200吨的工厂，近期也开始运营第三座年产能1200吨的CNT工厂。现阶段LG化学的CNT总产能，已达2900吨。
▲位于丽水的LG化学CNT第3工厂。
来源：newstree.kr
近期，LG化学高调宣布，已经开建年产能3200吨的第四座碳纳米管（CNT）工厂，预计2025年实现投产。届时，公司CNT产能也将从当下的2900吨扩大到6100吨，并且公司表示，如果市场增长情况良好，还将继续扩建CNT产能。
为扩大CNT新应用领域，LG化学于今年1月成立了专门工作组，以积极拓展电动汽车电池领域外的CNT新市场。
▲LG化学的碳纳米管开发团队在实验室展示样品。
来源：官网
LG化学还研发出添加CNT、可替代金属的静电喷涂塑料，并已向日本三菱汽车供应，用于生产旗下三款车型的前挡泥板。此外，静电喷涂塑料还可用于生产保险杠、后视镜、燃料加注口等，可多方位满足汽车零部件制造商的各类需求。
目前，LG化学正向韩国整车企业供应电磁波吸收用CNT材料。随着自动驾驶和电动汽车的普及，相关市场也有望将继续保持大幅增长态势。
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山东大展
山东大展纳米材料有限公司成立于2011年5月，专注于碳纳米材料的研发、生产和应用开发，为最具成长潜力的碳纳米材料公司之一。
大展纳米注重科技创新和研发投入，申请50余项专利，其中PCT国际专利13项；获批12项发明专利，3项PCT专利，主要产品为碳纳米管（CNT）、CNT母粒/专用料和水性浆料等。产品广泛用于电池、涂料、橡胶和各种塑料应用比如IC托盘、双抗管、屏蔽电缆和载带等。
▲山东大展展位。
照片摄于CHINAPLAS 2023 国际橡塑展现场
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黑猫股份
江西黑猫炭黑股份在江西景德镇设立全资子公司江西黑猫高性能材料有限公司，并以其为主体建设“年产5000吨碳纳米管粉体及配套产业一体化项目”，于2023年1月举行开工仪式。
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纳米港
深圳市纳米港有限公司成立于2001年，是国内早从事碳纳米管开发和生产的高科技企业，是金科特种材料股份的子公司。纳米港依靠拥有自主知识产权的纳米技术，在中国率先实现了碳纳米管的产业化。
▲工业级碳纳米管粉体
目前主要产品包括各种规格的碳纳米管粉体、碳纳米管导电浆料、纳米晶石墨等碳基纳米材料，以及各种应用产品，包括锂离子电池用导电剂、导电硅橡胶、导热硅油、导静电涂料、碳纳米管导电高分子复合材料等。
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三顺纳米
深圳市三顺纳米新材料股份有限公司创立于2011年，于2020年被美国导电剂生产商卡博特收购。公司致力于开发、生产高性能碳纳米管，产品应用于锂离子电池导电剂、工程塑料、透明导电膜、场发射等。
▲碳纳米管干粉 图源：三顺纳米
三顺纳米碳纳米管复合导电剂的性能与质量已得到三星SDI认可，自2013年开始批量出口海外，最终应用于三星SDI生产的3C电池当中。目前，三顺纳米正在积极投建“新增年产能10000吨碳纳米管导电浆料”项目。
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道氏技术
广东道氏技术股份有限公司于2007年9月创立，2014年12月在深交所上市。2016年开始布局新能源领域上游资源及锂电正极核心材料三元前驱体、锂电导电材料石墨烯和碳纳米管导电剂等关键材料，形成了“锂电材料+碳材料+陶瓷材料”的产业布局，实现了产业联动融合。
佛山市格瑞芬新能源有限公司是公司碳材料业务的实施主体，主要产品为石墨烯粉体、碳纳米管粉体、石墨烯导电浆料、碳纳米管导电浆料和复合导电浆料等。
公司拥有完整的导电剂产品线，建设有青岛昊鑫、江门道氏、江门昊鑫、赣州昊鑫四大生产基地，形成了碳材料板块“石墨烯/碳纳米管导电剂一体化”的布局。目前与比亚迪、国轩高科、南都等国内外知名电池厂家建立了密切的合作关系。
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青岛昊鑫
青岛昊鑫新能源科技有限公司现为道氏技术控股公司，现有三大生产基地，建成石墨烯、碳纳米管年产千吨以及导电浆料年产2万余吨的现代化生产线。产品广泛应用于动力、数码、储能等锂电子电池中。
▲图源：昊鑫科技
青岛昊鑫开发的高导电性碳纳米管导电浆料，应用于锂离子电池三元正极材料，具有优异的导电性能，少量添加可以显著降低极片内阻，提高电池比容量以及倍率性能。
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无锡东恒
无锡东恒新能源科技有限公司专注于碳纳米管导电材料、高性能炭黑及石墨烯材料的研发、生产和销售，产品广泛应用于动力、数码及储能等领域，致力于为全球电池厂商导电剂应用提供一流解决方案。主要客户包括比亚迪、CATL、ATL、CALB、韩国三星SDI等国内外新能源领域知名企业。
4月26日，无锡东恒4.8万吨/年新能源导电材料及单壁碳纳米管项目在四川省自贡市川南新材料化工园区开工建设。
该项目预计总投资16亿元，占地350亩。一期新建1套乙炔生产装置、32条导电炭黑生产线，建成后具备4.8万吨/年导电材料的产能，是国内最大的导电炭黑材料生产基地。二期新建300吨/年单壁碳纳米管及配套尾气综合利用项目、30条单壁碳纳米管等离子合成生产线，并配套建设5000万标准立方米/年的氢能循环回收利用装置及光伏电子特种气体、蒸汽及其他尾气循环再利用装置。
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烯湾科技
深圳烯湾科技有限公司成立于2016年，致力于前沿碳纳米材料的研发、生产及多元化应用。公司现为国家专精特新“小巨人”企业、国家高新技术企业、广东省碳纳米管纤维复合材料工程技术研究中心、深圳市高层次团队。拥有烯湾科城(广州）新材料有限公司，并在美国、日本设立实验室，全球三地同步运营，实现产学研一体化。
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Nanocyl SA
Nanocyl SA于2002年在比利时成立。提供工业多壁碳纳米管（MWCNTs）和基于MWCNT的配方产品，具有最高和恒定的质量、具有竞争力的性能/成本比和优越的性能。Nanocyl®工业高质量多壁碳纳米管–NC7000™-采用基于催化化学气相沉积法（WO 2004069742）的独特专利连续工艺大规模生产（年产能460公吨）。
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OCSiAl
OCSiAl是一家俄罗斯企业，其在2013年研发出了首个工业合成单壁碳纳米管的技术，并且在2014年正式发布其单壁碳纳米管产品TUBALL™。
目前，OCSiAl拥有90万吨的年产能，占全球单壁碳纳米管市场的95%以上。
4月19日，OCSiAl推出了新一代的高固含导电剂产品，1%固含的TUBALL™ BATT NMP新产品应用于正极和0.8%固含的TUBALL BATT H2O应用于负极，能够有效助力锂离子电池生产商进一步提高产品性能。新的导电液产品核心优势源于单壁碳纳米管的高含量，比目前的产品高2 - 2.5倍。
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END
（素材源自：经济参考报、中国化工报、艾邦高分子、DT新材料、高烯科技、材料PLUS、证券时报等，由CHINAPLAS国际橡塑展综合整理，转载请注明。）
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