最具潛力的電子材料

近年來，主要得益于鋰離子電池的推動(dòng)，多壁碳納米管（MWCNT）市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，年產(chǎn)量約為數(shù)千噸，很快將達(dá)到10萬噸，因?yàn)橹饕袌?chǎng)參與者都在擴(kuò)張產(chǎn)能。而單壁碳納米管（SWCNT）產(chǎn)量仍低于100噸，還在尋找殺手級(jí)應(yīng)用。

根據(jù)卷起的石墨烯片材層數(shù)，碳納米管（CNT）結(jié)構(gòu)可以分為單壁CNT（SWCNT，也叫石墨烯納米管）和多壁CNT（MWCNT）。

顧名思義，SWCNT是單層石墨烯薄片卷成一根管子，其獨(dú)特物理性能使其成為一種通用添加劑，在全球50%的材料市場(chǎng)都有潛在應(yīng)用。MWCNT是多層石墨烯薄片卷成的管子，主要應(yīng)用從熱界面材料（TIM）到涂層，也是儲(chǔ)能和聚合物的添加劑。

根據(jù)IDTechEx對(duì)CNT技術(shù)、市場(chǎng)和趨勢(shì)分析，受儲(chǔ)能應(yīng)用推動(dòng)，到2032年，其年需求量將超過7萬噸，CNT的重要的商業(yè)增長時(shí)刻即將到來，隨之而來的將是擴(kuò)張、合作、收購和更多的市場(chǎng)采用。

面對(duì)就要到來的新的擴(kuò)張時(shí)代，我們來看看一些參與CNT市場(chǎng)的公司近些年做了什么。

最大的SWCNT生產(chǎn)商

迄今為止，盧森堡獨(dú)角獸企業(yè)OCSiAl是唯一一家擁有可擴(kuò)展SWCNT工業(yè)合成技術(shù)的公司好最大的生產(chǎn)商。它使用浮動(dòng)催化劑方法生產(chǎn)SWCNT，雖然純度和長度落后于SG（超增長）法，但更容易實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。

目前，OCSiAl在俄羅斯的產(chǎn)能為90噸/年，但顯而易見其受地緣政治已影響明顯。它已計(jì)劃投資3億歐元在盧森堡建立一個(gè)設(shè)施，預(yù)計(jì)將于2025年投入運(yùn)營。

2021年，OCSiAl籌集了大量資金，投資者對(duì)其估值約為20億美元，儲(chǔ)能應(yīng)用是主要驅(qū)動(dòng)因素。日本氟技術(shù)巨頭大金工業(yè)也對(duì)其進(jìn)行了CVC投資，雙方自2018年以來一直在合作，并共享了電化學(xué)設(shè)備專利。2019年底OCSiAl成立了上海技術(shù)中心。

作為SWCNT的主要參與者，OCSiAl的新生產(chǎn)設(shè)施于2020年初投入運(yùn)營，產(chǎn)能為50噸/年；2021年中接受大金投資，將再增加25-30噸/年產(chǎn)能，總計(jì)80噸/年。OCSiA1制定的最終目標(biāo)是建立3000噸/年的生產(chǎn)系統(tǒng)。

SWCNT日本欲先入為主

日本大金入股了SWCNT龍頭，其他日本企業(yè)也沒閑著。已成立72年的ZEON（瑞翁）一直活躍在這一領(lǐng)域，2004年首次開發(fā)“超增長”方法，生產(chǎn)出ZEONANO的產(chǎn)品，據(jù)稱純度超過99%，高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。其基礎(chǔ)材料廣泛應(yīng)用于汽車各種零部件。

隨著近年來電動(dòng)汽車的普及，ZEON還致力于鋰離子電池材料和感應(yīng)相機(jī)材料的研究，2021年5月，成功開發(fā)出一種添加單分子層CNT的高柔軟度和高導(dǎo)電性醫(yī)用硅橡膠復(fù)合材料，計(jì)劃應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

致力于SWCNT研究與開發(fā)的另一家日本公司是2005年4月成立的Meijo Nano Carbon，由日本名城大學(xué)的安藤義雄（Yoshinori Ando）教授領(lǐng)導(dǎo)。CNT和石墨烯的制造和銷售是其主要業(yè)務(wù)，主要采用電弧放電蒸發(fā)法制備SWCNT；此外，還使用樟腦植物原料大量制造MWCNT。

最近，Meijo不僅合成了CNT，還合成了各種形式的CNT，如分散液、薄膜和絲狀物，且處理更容易完成。此外，石墨烯制造也已開始。

Meijo還通過增強(qiáng)直接注入熱解合成（eDIPS）法及電弧放電合成SWCNT。Zeon解釋說，通過SG方法生產(chǎn)的CNT與Meijo生產(chǎn)的具有互補(bǔ)特性。由此可見，這一領(lǐng)域的參與者正在追求CNT下一代材料的差異化，以期獲得更大的發(fā)展。

MWCNT國際競(jìng)爭(zhēng)加劇

再看MWCNT市場(chǎng)，大多數(shù)廠商采用催化CVD（化學(xué)氣相沉積）工藝，但MWCNT生產(chǎn)及其后處理方式仍有待技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的改進(jìn)。從地理位置看，主要制造商和供應(yīng)鏈都集中在東亞地區(qū)。下圖是采用CCVD工藝（催化化學(xué)氣相沉積）的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模CNT合成反應(yīng)器。

趨勢(shì)表明，MWCNT大多應(yīng)用于儲(chǔ)能市場(chǎng)，可以作為當(dāng)前和下一代鋰離子電池中任一電極的導(dǎo)電添加劑。一些公司正在這方面取得巨大進(jìn)步，隨著不可避免的合并，增長正在到來。

頭部企業(yè)LG Chem在接受采訪時(shí)表示，2019年末至2020年初公司開始大幅擴(kuò)產(chǎn)，目前2家工廠總產(chǎn)能1700噸/年。第一個(gè)工廠500噸，2021年上線的第二個(gè)工廠1200噸/年。到2023年，第三個(gè)工廠產(chǎn)能將達(dá)到1200噸/年，總產(chǎn)能達(dá)2900噸。

LG Chem的相關(guān)受訪者表示：“我們擁有世界上最大的單條生產(chǎn)線，采用自研的單層流化床反應(yīng)器。在單個(gè)反應(yīng)器中大量生產(chǎn)，CNT的性能（如BET）變化不大?！盠G Chem使用鈷（Co）基催化劑，鈷對(duì)電池性能沒有影響，由于其Fe（鐵）含量較低，產(chǎn)品更安全。

據(jù)介紹，目前韓國、中國和日本的主要電池公司正在測(cè)試LG Chem的CNT，預(yù)計(jì)不久將實(shí)現(xiàn)銷售。

該受訪者也表示，CNT主要用作導(dǎo)電材料，陰極和陽極都可用。至于電池類型，EV、小型電池和ESS都有可能。除儲(chǔ)能市場(chǎng)，LG Chem主要專注導(dǎo)電塑料市場(chǎng)，如導(dǎo)電硅樹脂、橡膠、涂料或?qū)щ娎w維等。

他明確表示，Cnano（天奈科技）是主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手；另外，韓國JEIO和Kumho也是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

那來看看天奈科技的融資和擴(kuò)張計(jì)劃。天奈科技成立于2011年，是一家致力于CNT、石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用開發(fā)和銷售的高新技術(shù)企業(yè)，產(chǎn)品包括CNT粉體、CNT導(dǎo)電漿料、石墨烯復(fù)合導(dǎo)電漿料、CNT導(dǎo)電母粒等。最近兩年天奈科技的CNT導(dǎo)電漿料產(chǎn)品銷售額穩(wěn)居國內(nèi)首位。

天奈科技擁有40余項(xiàng)MWCNT、SWCNT制備的國際專利，以及CNT大批量生產(chǎn)專業(yè)技術(shù)；也是主導(dǎo)制定的CNT導(dǎo)電漿料國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/TS 19808）的中國代表。

2022年5月，天奈科技公告稱，擬投資約30億元建設(shè)天奈科技西部基地項(xiàng)目，生產(chǎn)CNT及相關(guān)復(fù)合產(chǎn)品。其中一期兩個(gè)階段將建設(shè)年產(chǎn)10000噸CNT生產(chǎn)基地，包括年產(chǎn)5000噸MWCNT及800噸氫氣（副產(chǎn)）；二階段擬建設(shè)年產(chǎn)5000噸MWCNT及800噸氫氣（副產(chǎn)）。不過，公司在SWCNT制備方面尚無動(dòng)靜。

還有一條新聞也必須關(guān)注：創(chuàng)立于1882年的美國全球特殊化學(xué)品和高性能材料公司卡博特（Cabot Corporation）對(duì)深圳三順納米（SUSN）的收購?？ú┨氐漠a(chǎn)品組合之一是ATHLOS? 碳納米結(jié)構(gòu)顆粒，可為高性能應(yīng)用提供最佳的導(dǎo)電性、EMI屏蔽和機(jī)械強(qiáng)度；另一個(gè)是石墨烯基材料，利用二維形態(tài)想廣泛應(yīng)用的性能增強(qiáng)。

2020年4月，卡博特斥資1.15億美元完成對(duì)全球第二大CNT生產(chǎn)商深圳三順納米的收購，卡博特亞太區(qū)總裁朱戟表示：“CNT是儲(chǔ)能領(lǐng)域增長最快的導(dǎo)電碳添加劑，我們還致力于高深寬比CNS（碳納米結(jié)構(gòu)）產(chǎn)品。收購主要是為了進(jìn)一步拓展我們?cè)谥袊袌?chǎng)的研發(fā)能力和制造能力，豐富我們的終端產(chǎn)品品類，提供更好、更全面的鋰電池導(dǎo)電劑解決方案?！?/p>

此次收購屬于供應(yīng)鏈的垂直整合，因?yàn)殇囯姵夭牧衔磥淼陌l(fā)展方向需要CNT和導(dǎo)電炭黑兩者的結(jié)合。卡博特的特種炭黑業(yè)務(wù)加上三順的CNT，使卡博特成為了全球唯一一家量產(chǎn)導(dǎo)電炭黑、石墨烯、CNT、碳納米結(jié)構(gòu)并具備分散配方能力的高性能碳材料供應(yīng)商。

哪些應(yīng)用最具潛力？

從下圖可以看到對(duì)MWCNT和SWCNT在市場(chǎng)規(guī)模、適用性、進(jìn)入壁壘和應(yīng)用潛力等方面的打分。

不管怎樣，油墨和薄膜、氣體傳感器、量子計(jì)算、晶體管、RFID正在使電子應(yīng)用成為一個(gè)激動(dòng)人心的市場(chǎng)，一些材料公司也參與其中。

多年來，晶體管一直以硅為材料，硅基芯片技術(shù)遵循摩爾定律不斷演進(jìn)，用不斷縮小晶體管尺寸的辦法提升芯片性能，但傳統(tǒng)硅基晶體管性能的提升已接近其物理極限。為此，科學(xué)家們一直試圖尋找能夠替代硅的芯片材料，開發(fā)下一代晶體管，CNT是一個(gè)備受矚目的候選者。

到2032年，CNT市場(chǎng)的年需求量將超過7萬噸，這將是一個(gè)量變到質(zhì)變的過程，對(duì)于更廣泛的CNT材料，仍有大量的研發(fā)和進(jìn)展有待觀察。