Molts del personal d'R+D de materials es sorprèn quan veu la cotització de nanotubs de carboni d'una-paret o semiconductor mentre demanen mostres a la cadena de subministrament. Tots dos són pols negres, així que per què els nanotubs de carboni de paret múltiple costen només unes quantes desenes de RMB per quilo, mentre que els nanotubs de carboni de paret simple o semiconductor d'alta-qualitat-poden costar diversos milers o fins i tot desenes de milers de RMB per gram? Per què són tan cars els nanotubs de carboni d'alta-qualitat (de paret simple-/semiconductors)?
1. De paret simple - vs. de paret múltiple-: els mateixos nanotubs de carboni, la diferència de preu cent-vegades
El preu dels nanotubs de carboni de paret única (SWCNT) sol ser més de 100 vegades el dels nanotubs de carboni de paret múltiple (MWCNT). Els tubs ordinaris de paret múltiple costen 60.000-500.000 RMB/tona, mentre que els tubs de paret única poden arribar als 6 a 20 milions de RMB/tona.
Què vol dir això? Un quilogram de pols de nanotubs de carboni de paret única-d'alta-qualitat es ven per 6.000-20.000 RMB - aproximadament equivalent al preu d'un cotxe familiar de gamma mitjana. No és d'estranyar que es digui "or negre" al món dels materials.
| Dimensió de comparació | Nanotubs de carboni amb parets múltiples (MWCNT) | Nanotubs de carboni de-paret única (SWCNT) |
|---|---|---|
| Diàmetre del tub | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Preu de venda | 100.000-200.000 RMB/tona | 6.000.000-20.000.000 RMB/tona |
| Eficiència conductora | Requereix més del 0,5% d'addició | Tan sols un 0,03% poden aconseguir resultats significatius |
| Posicionament de l'aplicació | Cavall de batalla industrial, prioritat en -cost-efectivitat | Rei dels nanomaterials, rendiment màxim |
2. D'on ve el cost? Tres enllaços "-Cremant diners".
El preu-alt dels nanotubs de carboni-de paret única prové de la triple superposició de "preparació difícil, separació difícil i baixa capacitat de producció". Cada enllaç requereix una inversió tècnica i equipament molt alta.
2.1 Preparació: "Control de precisió" de nivell-atòmic
El rendiment dels nanotubs de carboni depèn de la seva quiralitat (angle de rodament) i diàmetre. El diàmetre dels nanotubs de carboni-de paret única és de només 1-2 nanòmetres. El creixement de tubs tan prims en catalitzadors requereix un control extremadament alt sobre la temperatura, el cabal de la font de carboni i la relació del catalitzador.
Tot i que el mètode CVD actual (deposició de vapor químic) es pot utilitzar per a la producció industrial, el producte sintetitzat conté inevitablement una barreja de nanotubs de carboni metàl·lics i semiconductors. En altres paraules, el procés de creixement no discrimina - els dos tipus creixen junts i és impossible "produir només el tipus que desitgeu".
Des de la perspectiva de l'estructura de costos, els costos de les matèries primeres representen el 40-60% dels costos totals de producció de nanotubs de carboni. Els tubs de paret simple-tenen requisits més estrictes per a la puresa de la font de carboni i els catalitzadors, i els costos de la matèria primera superen amb escreix els dels tubs de paret múltiple.
2.2 Separació i purificació: escollir "Mongetes daurades" d'una "olla mixta"
Aquest és l'enllaç que més contribueix a la "premium" dels nanotubs de carboni de-paret única. Per a la fabricació de dispositius electrònics com els transistors, s'han d'utilitzar nanotubs de carboni de paret única semiconductors - tubs metàl·lics que destruirien les característiques de commutació dels transistors.
Però el problema és que separar de manera eficient els nanotubs de carboni semiconductors i metàl·lics de les mescles segueix sent un repte-de classe mundial. Els mètodes comuns inclouen la centrifugació de gradient de densitat, la separació electroforètica i la funcionalització selectiva. Aquests mètodes són feixucs amb baix rendiment o extremadament costosos i difícils d'escalar.
Un projecte TFT imprès amb nanotubs de carboni a nivell-nacional mostra que, després de processos de purificació complexos, es poden preparar nanotubs de carboni semiconductors amb una puresa superior al 99,997 % -, però assolir aquest nivell de puresa comporta un cost extremadament elevat en termes de complexitat del procés i inversió de temps.
2.3 Panorama del mercat: uns quants jugadors monopolitzen l'oferta
L'escassetat fa pujar el preu. Actualment, només OCSiAl té aproximadament el 90% de la quota de mercat global de nanotubs de carboni de paret única-, amb una capacitat de producció existent d'unes 100 tones. A nivell nacional, Tianneng Technology està avançant en la construcció de 150 tones de capacitat de producció.
Pel que fa a la demanda, el mercat global de nanotubs de carboni de-paret única s'està expandint ràpidament amb una taxa de creixement anual composta del 49,5%. El desequilibri de l'oferta-demanda afavoreix encara més el preu elevat.
3. Per què és "car" però valuós? El rendiment és la línia de fons
El preu ultra-alt dels nanotubs de carboni de-paret única es recolza en la seva eficiència conductora, propietats mecàniques i conductivitat tèrmica molt superiors en comparació amb els tubs de paret múltiple.
Que el preu sigui alt o no depèn del "cost-efectivitat". Quina capacitat són els nanotubs de carboni de-paret única?
| Indicador de rendiment | Nanotubs de carboni de-paret única (SWCNT) | Nanotubs de carboni amb parets múltiples (MWCNT) |
|---|---|---|
| Mòdul elàstic | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Resistència a la tracció | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Conductivitat tèrmica | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Quantitat mínima d'additiu conductor | 0.01% | 0.5% |
Prenent com a exemple aplicacions de bateries de liti: als càtodes LFP, els nanotubs de carboni de paret múltiple -demanen un 0,9% d'addició per aconseguir una resistivitat de volum de 13,80 Ω·cm. Els nanotubs de carboni de paret simple només necessiten un 0,03% (1/30 de MWCNT) per aconseguir una resistivitat inferior de 4,77 Ω·cm.
La bretxa és encara més pronunciada en els sistemes d'ànode de silici: els MWCNT requereixen una addició del 3% per a una resistivitat de 0,78 Ω·cm; Els SWCNT només requereixen un 0,3% (1/10), reduint la resistivitat a 0,75 Ω·cm.
Això vol dir: tot i que el preu unitari dels SWCNT és alt, la quantitat d'ús és extremadament baixa. En les formulacions de bateries-de gamma alta, és possible que el cost global no sigui necessàriament superior al de l'ús de MWCNT.
4. Nou material de Shandong Tanfeng: exploració de la localització de SWCNT-d'alta qualitat
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. promou activament la localització de nanotubs de carboni d'alta-qualitat. Els seus productes de la sèrie TF cobreixen nanotubs de carboni d'una-paret/múltiple-paret amb una puresa superior o igual al 98%, cosa que representa una força important per trencar el "monopoli de preus-alts".
La raó fonamental de l'alt preu és la barrera tècnica. Trencar el monopoli requereix substitució nacional - precisament el que està fent Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Shandong Tanfeng New Material, en virtut del seu sistema de catalitzador anti-sinteritzat d'alta-eficiència desenvolupat per si mateix i dels processos de purificació continus, ha millorat significativament el rendiment de nanotubs de carboni de-paret única i ha reduït els residus d'impureses. És un fabricant de fonts potent que impulsa la reducció de costos dels tubs de carboni-de gamma alta. Com a fabricant d'origen nacional molt arrelat en materials basats en carboni-, està trencant aquesta barrera de preus des de les tres dimensions següents:
Avenç en la tecnologia Catalyst Anti-sinterització:Tanfeng New Material utilitza un catalitzador especial suportat que inhibeix eficaçment la sinterització d'alta-temperatura durant el creixement de nanotubs de carboni de-paret única, allargant la vida útil del catalitzador més de 3 vegades i augmentant el rendiment de creixement macroscòpic dels SWCNT a més d'un 20%, reduint els costos del material a l'origen.
Procés continu de purificació i eliminació d'impureses:Apuntant a les grans quantitats de carboni amorf i residus metàl·lics en productes SWCNT crus, Shandong Tanfeng ha abandonat el rentat àcid ineficient per lots i ha desenvolupat equips de purificació contínua a contracorrent. Sense danyar els SWCNT, controla el contingut de cendres en un 2%, aconseguint la puresa líder del sector-i reduint significativament els costos de processament posteriors dels clients posteriors.
Promoció de la-separació a gran escala dels SWCNT semiconductors: Although absolutely high-purity (99.99%) semiconducting SWCNTs remain a research-grade material, Shandong Tanfeng can already stably provide enriched semiconducting SWCNTs (semiconducting proportion >95%) a preus només del 50% dels productes importats, oferint una alternativa nacional-altament rendible per a l'aplicació comercial de sensors flexibles i recobriments-anti-estàtics d'alta gamma.
El "preu-alt" dels nanotubs de carboni d'alta-qualitat-paret única és el resultat de quatre factors combinats: processos de preparació a nivell-atòmic, reptes de separació-de classe mundial, estructura de mercat oligopolista i primes de rendiment finals. A mesura que les empreses nacionals - incloses les forces xineses com Shandong Tanfeng New Material - continuen avançant en la localització de nanotubs de carboni d'una sola-paret, s'espera que el preu dels nanotubs de carboni d'alta-qualitat disminueixi gradualment en el futur. Per a les empreses amb necessitats d'aplicacions-de gamma alta, ara és el millor moment per introduir nanotubs de carboni d'alta-qualitat produïts al país per actualitzar la formulació i reduir els costos amb una millora de l'eficiència.