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，多壁碳納米管（MWCNT）市場蓬勃發(fā)展，年產(chǎn)量約為數(shù)千噸，很快將達到10萬噸，因為主要市場參與者都在擴張產(chǎn)能。而單壁碳納米管（SWCNT）產(chǎn)量仍低于100噸，還在尋找殺手級應用。

根據(jù)卷起的石墨烯片材層數(shù)，碳納米管（CNT）結構可以分為單壁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%的材料市場都有潛在應用。MWCNT是多層石墨烯薄片卷成的管子，主要應用從熱界面材料（TIM）到涂層，也是儲能和聚合物的添加劑。

根據(jù)IDTechEx對CNT技術、市場和趨勢分析，受儲能應用推動，到2032年，其年需求量將超過7萬噸，CNT的重要的商業(yè)增長時刻即將到來，隨之而來的將是擴張、合作、收購和更多的市場采用。

面對就要到來的新的擴張時代，我們來看看一些參與CNT市場的公司近些年做了什么。

最大的SWCNT生產(chǎn)商

迄今為止，盧森堡獨角獸企業(yè)OCSiAl是唯一一家擁有可擴展SWCNT工業(yè)合成技術的公司好最大的生產(chǎn)商。它使用浮動催化劑方法生產(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。它已計劃投資3億歐元在盧森堡建立一個設施，預計將于2025年投入運營。

2021年，OCSiAl籌集了大量資金，投資者對其估值約為20億美元，儲能應用是主要驅(qū)動因素。日本氟技術巨頭大金工業(yè)也對其進行了CVC投資，雙方自2018年以來一直在合作，并共享了電化學設備專利。2019年底OCSiAl成立了上海技術中心。

作為SWCNT的主要參與者，OCSiAl的新生產(chǎn)設施于2020年初投入運營，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80噸/年。OCSiA1制定的最終目標是建立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%，高于競爭對手。其基礎材料廣泛應用于汽車各種零部件。

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

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，由日本名城大學的安藤義雄（Yoshinori Ando）教授領導。CNT和石墨烯的制造和銷售是其主要業(yè)務，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)的具有互補特性。由此可見，這一領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國際競爭加劇

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

趨勢表明，MWCNT大多應用于儲能市場，可以作為當前和下一代鋰離子電池中任一電極的導電添加劑。一些公司正在這方面取得巨大進步，隨著不可避免的合并，增長正在到來。

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

LG Chem的相關受訪者表示：“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器。在單個反應器中大量生產(chǎn)，CNT的性能（如BET）變化不大。”LG Chem使用鈷（Co）基催化劑，鈷對電池性能沒有影響，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試LG Chem的CNT，預計不久將實現(xiàn)銷售。

該受訪者也表示，CNT主要用作導電材料，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。除儲能市場，LG Chem主要專注導電塑料市場，如導電硅樹脂、橡膠、涂料或?qū)щ娎w維等。

他明確表示，Cnano（天奈科技）是主要競爭對手；另外，韓國JEIO和Kumho也是競爭對手。

那來看看天奈科技的融資和擴張計劃。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)及應用開發(fā)和銷售的高新技術企業(yè)，產(chǎn)品包括CNT粉體、CNT導電漿料、石墨烯復合導電漿料、CNT導電母粒等。最近兩年天奈科技的CNT導電漿料產(chǎn)品銷售額穩(wěn)居國內(nèi)首位。

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

2022年5月，天奈科技公告稱，擬投資約30億元建設天奈科技西部基地項目，生產(chǎn)CNT及相關復合產(chǎn)品。其中一期兩個階段將建設年產(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制備方面尚無動靜。

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

2020年4月，卡博特斥資1.15億美元完成對全球第二大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是儲能領域增長最快的導電碳添加劑，我們還致力于高深寬比CNS（碳納米結構）產(chǎn)品。收購主要是為了進一步拓展我們在中國市場的研發(fā)能力和制造能力，豐富我們的終端產(chǎn)品品類，提供更好、更全面的鋰電池導電劑解決方案?！?/p>

此次收購屬于供應鏈的垂直整合，因為鋰電池材料未來的發(fā)展方向需要CNT和導電炭黑兩者的結合?？ú┨氐奶胤N炭黑業(yè)務加上三順的CNT，使卡博特成為了全球唯一一家量產(chǎn)導電炭黑、石墨烯、CNT、碳納米結構并具備分散配方能力的高性能碳材料供應商。

哪些應用最具潛力？

從下圖可以看到對MWCNT和SWCNT在市場規(guī)模、適用性、進入壁壘和應用潛力等方面的打分。

不管怎樣，油墨和薄膜、氣體傳感器、量子計算、晶體管、RFID正在使電子應用成為一個激動人心的市場，一些材料公司也參與其中。

多年來，晶體管一直以硅為材料，硅基芯片技術遵循摩爾定律不斷演進，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是一個備受矚目的候選者。

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