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全球碳納米管行業(yè)壁壘及2025年市場需求預測：預計2025年全球動力鋰電領(lǐng)域碳納米管需求量達到14156噸[圖]

碳納米管文爭 2020-06-05 05:53 來源：智研咨詢

碳納米管（CarbonNanotubes,CNTs）是一種同軸管狀結(jié)構(gòu)的碳原子簇，其管徑與管之間相互交錯的縫隙都屬于納米數(shù)量級，根據(jù)管壁的層數(shù)可以將CNTs分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）。碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來就因為其優(yōu)異的電學、力學、化學等性能，在多項領(lǐng)域中顯示出巨大應(yīng)用潛力。（1）在鋰電池領(lǐng)域，碳納米管憑借優(yōu)異導電性能，被廣泛應(yīng)用于鋰電池新型導電劑。（2）在導電塑料領(lǐng)域，碳納米管憑借其優(yōu)越的導電性能和力學性能，用來提升導電塑料的導電性和結(jié)構(gòu)強度，已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價值。

碳納米管具備顯著的力學、電學、熱學性能

項目	性能優(yōu)勢
力學性能	碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。按理論計算，碳納米管的強度可為鋼的100倍，而密度只有鋼的1/6。碳納米管還有極高的韌性，硬而不脆，當外部施加巨大的壓力時，碳納米管會發(fā)生彎曲、打卷絞結(jié)的情況，但是不會斷裂；當外力釋放后，碳納米管又將恢復原狀。
電學性能	碳納米管具有良好的電學性能，碳納米管的碳原子以正六邊形的微觀形式組成基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下共軛效應(yīng)顯著，電子可以脫離單個碳原子的束縛而在較大范圍內(nèi)自由運動。理論上碳納米管導電性能僅次于超導體。電子通過碳納米管時不會產(chǎn)生熱量，因此能量損失微小，其導電性能優(yōu)于常規(guī)導電材料。
熱學性能	碳納米管具有優(yōu)異的導熱性能，可以沿管長方向迅速傳導熱量。理論上碳納米管是目前已知的最好的導熱材料，其理論導熱效率約為自然界最好導熱材料金剛石的3-6倍
化學穩(wěn)定性	碳納米管化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性。在高分子復合材料中添加碳納米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能，可以應(yīng)用于航天、航空、國防、軍工等領(lǐng)域。

數(shù)據(jù)來源：公開資料整理

一、碳納米管行業(yè)壁壘

在實際應(yīng)用中，多組分混合型導電劑顯現(xiàn)出較單一組分導電劑更多的優(yōu)勢，目前CNT+SP、CNT+KB等多組分導電劑成為CNT大批量導入實際生產(chǎn)的主要形式，顯現(xiàn)出更優(yōu)異的性能表現(xiàn)。實際使用中，點狀結(jié)構(gòu)的SP比較廉價，與線狀的CNTs或面狀的石墨烯組合使用，可發(fā)揮點、線、面的協(xié)同作用，使電池性能更好，實際應(yīng)用中包括SP+KB、CNT+SP以及CNT+GN等多種多組分導電劑成為重要的實際應(yīng)用方案。

多組分導電劑電化學阻抗對比（單位：EIS，Ω•cm2）

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截止目前碳納米管的制備方法主要包括電弧放電法、激光燒灼法和化學氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition,CVD）等。在CVD機制中，碳源在催化劑表面發(fā)生吸附、反應(yīng)；反應(yīng)形成的碳原子溶解到催化劑中，當其達到飽和后，碳原子不斷析出形成碳納米管；并且CVD工藝可在低溫、常壓下低成本的制備，并可在生長過程中對碳納米管壁數(shù)、直徑、長度、以及取向進行控制，成為目前為止最具潛力的工業(yè)化量產(chǎn)工藝。
核心工藝為催化劑條件下的化學氣相沉積（CVD,ChemicalVaporDeposition）碳納米管粉體的主要生產(chǎn)工藝流程如下：（1）催化劑制備：該步驟為碳納米管生產(chǎn)的核心步驟，催化劑生產(chǎn)的質(zhì)量、性能將直接影響后續(xù)產(chǎn)出的碳納米管質(zhì)量。Fe/Co和Ni等納米過渡金屬催化劑在CNT生長過程中具有較高的催化活性及緩和的生長條件，是常用的CNT催化劑材料；另一方面，除材料配方外，碳納米管的直徑很大程度依賴于納米催化劑顆粒的大小。因此包括催化劑的材料配方、粒徑大小、一致性控制等，均是碳納米管生產(chǎn)的核心工藝難點。

（2）CVD碳納米管生長：將催化劑放入碳納米管反應(yīng)器，再將甲烷或丙烯（碳氫化合物）、氫氣（抑制徑向生長）、氮氣等按一定比例、氣流速度導入，在高溫條件下生長得到碳納米管粗粉。其中CVD碳納米管連續(xù)生產(chǎn)工藝以及相關(guān)設(shè)備均是核心技術(shù)難點，各廠家均建立了相對應(yīng)設(shè)備專利體系。

（3）CNT純化工序（去除無定型碳以及金屬雜質(zhì)）：不同型號產(chǎn)品需要經(jīng)過不同的純化工序，其中高溫氧化主要除去碳納米管粗粉中無定形碳雜質(zhì)；酸洗提純、石墨化主要除去碳納米管粗粉中的催化劑金屬雜質(zhì)。碳納米管粗粉經(jīng)過純化工序后得到碳納米管純粉。

（4）粉碎：最后，將碳納米管純粉放入粉碎機進行粉碎，制備得到分散性較好的碳納米管粉體。

（5）碳納米管導電漿料生產(chǎn)：由于碳納米管粉分散性差、容易發(fā)生團聚，導致在應(yīng)用過程中導電、導熱性等大幅不及預期，目前的主流工藝是在將CNT粉體與NMP、分散劑等進行混合，以漿料形式向下游客戶銷售。①按照一定比例將分散劑和溶劑（NMP或去離子水）進行攪拌，使得分散劑與溶劑充分融合，隨后加入一定比例的碳納米管粉體，充分攪拌均勻至碳納米管粉體在溶劑中預分散。②將預分散好的漿料投入砂磨機進行分散，制備得到分散均勻的碳納米管導電漿料。

對于碳納米管行業(yè)，新進入者主要面臨技術(shù)壁壘、客戶和市場開發(fā)壁壘、資金壁壘。目前碳納米管雖然在理論上和實驗室中已經(jīng)證實有廣泛的應(yīng)用空間，但由于專利保護、與下游應(yīng)用對接難度大等因素，碳納米管規(guī)?；慨a(chǎn)短期內(nèi)還無法實現(xiàn)；碳納米管生產(chǎn)企業(yè)如果沒有制備、提取、分散等相應(yīng)的核心技術(shù)或生產(chǎn)工藝，將難以生產(chǎn)具備競爭力的產(chǎn)品。其次，導電劑作為鋰電池電池的關(guān)鍵輔材之一，其質(zhì)量與鋰電池的性能、安全性息息相關(guān)，下游鋰電池企業(yè)對導電劑供應(yīng)商有嚴格的考察程序，考察周期長。再者，碳納米管行業(yè)作為新興行業(yè)，初創(chuàng)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)設(shè)備購置等方面的資金需求大。行業(yè)壁壘限制新進入者，龍頭企業(yè)不斷擴產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展，品牌效應(yīng)建立增強客戶之間的信任度，未來行業(yè)集中度有望提高。

碳納米管行業(yè)壁壘

行業(yè)壁壘	具體情況
技術(shù)壁壘	碳納米管生產(chǎn)技術(shù)要求高、尤其是能夠穩(wěn)定、批量生產(chǎn)細管徑，高純度碳納米管需要積累豐富的經(jīng)驗，不斷改進生產(chǎn)工藝
客戶和市場開發(fā)壁壘	下游鋰電池企業(yè)對于導電劑供應(yīng)商有嚴格的考察程序，全面評估其產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性、一致性以及持續(xù)供貨能力，考察周期較長
資金壁壘	初創(chuàng)企業(yè)在技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)設(shè)備購置等方面的資金需求較大，并且隨著行業(yè)規(guī)模發(fā)展的加快，企業(yè)在研發(fā)、技術(shù)、設(shè)備、人才等方面的投入不斷增加，資金實力成為市場參與者進入的門檻

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截止目前全球主流碳納米管生產(chǎn)商包括天納科技、三順納米、青島昊鑫以及韓國LGchem等，各自均已在碳納米管領(lǐng)域提前規(guī)劃深厚的專利布局。具體來看，碳納米管制備領(lǐng)域的主要專利壁壘主要體現(xiàn)在催化劑制備、宏量連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備、分散設(shè)備、分散漿料&復合導電劑配方等方面。LGchem的專利申請數(shù)為43，位居第一，天奈科技、三順納米、青島昊鑫分列二到四位；其中，天奈科技的發(fā)明申請與實用新型專利申請均位居行業(yè)第一位。

各公司在碳納米管領(lǐng)域完成了充足的專利布局（單位：個）

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二、碳納米管行業(yè)市場需求預測

受益于CNT導電劑帶來的導電劑用量減少、電池帶電量提升，以及性能方面的改善（低溫性能、散熱性能等提升），碳納米管導電劑在動力鋰電領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用和發(fā)展。預計2019-2025年全球動力鋰電領(lǐng)域CNT導電劑漿料用量將從2.7萬噸快速提升至35.4萬噸，2019-2025年需求復合增速約54%。按照單噸CNT導電劑漿料3-4萬元/噸計算，市場規(guī)模將從2019年約9.5億元快速增長至約124億元。

智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國碳納米管（CNTS）產(chǎn)業(yè)運營現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析報告》數(shù)據(jù)顯示：2019年全球動力鋰電領(lǐng)域碳納米管需求量約1081噸，預計至2025年全球動力鋰電領(lǐng)域碳納米管需求量將達到約14156噸，2019-2025年CAGR約54%。

2019-2025年全球動力CNT需求量預測（噸）

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全球動力電池用碳納米管測算（噸）

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海內(nèi)外用碳納米管量測算（噸）

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相較動力電池領(lǐng)域，3C領(lǐng)域近年來對快充功能提出了更多需求。CNT導電劑通過構(gòu)建線狀導電網(wǎng)絡(luò)，在減少導電劑用量、提升電池帶電量基礎(chǔ)上更進一步提升了電池快速充放電性能，近年來在高端3C數(shù)碼領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。

預計2019-2025年鋰電池儲能領(lǐng)域的CNT需求量占比將從16%提升至40%、成為非動力鋰電領(lǐng)域的最大增量，其他領(lǐng)域方面，預計2025年，其他3C等需求占比約34%，手機領(lǐng)域需求占比約17%，筆記本領(lǐng)域需求占比約5%。

2019年全球非動力鋰電領(lǐng)域用碳納米管分布測算（單位：%）