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碳纳米管导电剂:一种优于炭黑的导电剂

2021.03.22

碳纳米管导电剂:一种优于炭黑的导电剂

    导电浆料是将导电剂均匀分散于溶剂中形成的浆料,而碳纳米管导电浆料是以碳纳米管为导电剂,将其分散于分散溶剂中形成的浆料。根据一般工艺经验,导电剂添加量一般为正极或负极重量的1%-3%,碳纳米管导电性较好,添加量约1.5%。


锂电池原材料成本构成

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碳纳米管的优异性能


①优异的力学性质

碳纳米管中的C—C以sp2杂化方式成键,是迄今为止报道的最强的化学键之一。因此,理想的结构完整的单根碳纳米管具有极好的力学性质。

②良好的热学性能

由于sp2结构对声子的传导作用,单壁碳纳米管的热导率可高达6600W·(m·K)-1,室温条件下导热性能是目前已知的导热性能最好的金刚石的3倍以上。一般来讲,测量单根碳纳米管的热导率,结果都比较高。最早测量的单根多壁碳纳米管的热导率为3000W·(m·K)-1。

③优良的储氢性能

碳纳米管管内孔结构规整且丰富,这些孔结构可以为气体分子的吸附提供大量的结合位点。

④优异的电学性质

由于碳纳米管螺旋度不同,所以导致了其导电性和能带结构的不同。碳纳米管有时表现出半导体的性质,有时又表现出金属的性质。C—C键由于sp2杂化,使得碳纳米管表面的电子运动速度接近光速的1/300,其电子迁移率更是达到了20000cm2·(V·s)-1,通过控制碳纳米管结构可以进一步调控其电子的迁移速度,碳纳米管也可以和电磁波相互作用,产生吸收效果。这一点决定了其作为场发射材料、电磁吸收材料、以及锂电池导电剂时的优势。

碳纳米管做导电剂


碳纳米管优良的导电性和较大的长径决定了其很适合用作锂离子电极材料导电剂。由于碳纳米管一方面有良好的导电性能,另一方面在结构上属于纳米级一维材料,长径比一般都在103以上,相互之间更容易搭接、形成导电网络。有望在较低的添加量下得到性能良好的电极。用碳纳米管作为导电剂,其效果明显优于炭黑。

碳纳米管导电剂与炭黑导电剂性能对比

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不同导电添加剂性质

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碳纳米管导电浆料市场

2018年全球碳纳米管导电浆料市场出货量为3.44万吨,同比增长25.9%,其中中国2018年中国碳纳米管导电浆料市场出货量达3.25万吨(含CNT/石墨烯复合浆料,纯碳纳米管导电浆料2018年出货量2.85万吨),同比增长26.3%,中国目前在锂电池用碳纳米管领域占比为94.5%。


2014-2022年中国碳纳米管导电浆料市场规模分析及预测(万吨)


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2018年国内主流碳纳米管导电浆料生产企业的出货量和销售额占比情况如下图所示:

2018年国内企业碳纳米管导电浆料出货量占比


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2018年国内企业碳纳米管导电浆料销售额占比


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近两年,碳纳米管导电浆料的价格下滑幅度超过50%,目前根据各家生产工艺、原材料不同,粗管碳纳米管导电浆料每吨市场单价不超过5万元,这也推动了其替代传统炭黑在动力市场的应用。目前,添加碳纳米管作为锂离子电池的导电剂,提高电池性能的产业化应用,成为中国以及日本电池领域的主要产业化方向;碳纳米管在电池中的应用占其产量一半以上,并迅速增长,成为碳纳米管最为重要的应用场合之一。