锂电材料|碳纳米管(CNT)的种类、制备方法、技术难点分析

碳纳米管Carbon Nanotubes, CNTs）因其独特的力学、电学及化学等特性,已成为全世界的研究热点,在场致发射、纳米电子器件、 纳米机械、复合增强材料、储氢材料等众多领域取得了广泛应用。并且，在锂离子电池中扮演着重要角色.

这里我们介绍碳纳米管的种类、制备方法、技术难点以及国内主要碳纳米管企业的介绍。

一、碳纳米管的种类

碳纳米管（CNT）根据结构和层数的不同，主要分为以下两类：

单壁碳纳米管（SWNT）

拉结构：由单层石墨烯片卷曲形成的圆柱形结构，直径通常为1-2纳米，缺陷少且均匀性高。
类型：根据石墨烯片的排列方向，可分为扶手椅型、锯齿型和手性型（螺旋型），其中手性型具有独特的电学特性。

多壁碳纳米管（MWNT）

结构：由多层同心圆柱形石墨烯片构成，直径一般为10-100纳米，层间易形成缺陷（如小洞）。
应用：早期应用较广，但导电性和机械性能较单壁管略逊，常用于传统导电材料领域。

二、碳纳米管的制备方法和原理

1.电弧放电法

原理：在惰性气体（氦气/氩气）中，通过高压电弧放电使石墨电极蒸发，碳原子重组形成碳纳米管。  
特点：  
产物：以多壁碳纳米管（MWNT）为主，伴有富勒烯等副产物。  
优势：设备简单，适合实验室研究。 

缺点：纯度低（需后续纯化）、能耗高、难以规模化。

2.化学气相沉积法（CVD）

原理：在高温反应器中，含碳气体（如甲烷、乙烯）在金属催化剂（Fe、Co、Ni）表面分解，碳原子沉积生长为纳米管。  
特点：  
产物：可控制单壁（SWNT）或多壁（MWNT），纯度高、定向性好。  
优势：适合工业化生产，成本较低，易调控管径和结构。  
挑战：催化剂残留需去除，单壁管手性控制难度大。 

国内应用:天奈科技通过改进CVD工艺实现单壁管量产,并自主研发催化剂体系提升纯度。

3.激光烧蚀法

原理：高能激光脉冲轰击含金属催化剂的石墨靶材，蒸发后的碳原子在惰性气流中冷却形成纳米管。  
特点：  
产物：单壁管为主，结晶度高、缺陷少。  
优势：适合制备高质量SWNT，纯度优于电弧法。  
缺点：设备昂贵、能耗高，难以大规模应用。  

4.固相热解法

原理：含碳前驱体（如聚合物、金属有机框架材料）在高温下分解，通过模板限域生长碳纳米管。    
产物：结构可控，但产量低，多用于特殊功能材料研究。

三、关键挑战与未来趋势

1.技术难点
手性控制：单壁管的导电性（金属型/半导体型）取决于手性，目前尚无工业化精准调控手段。
规模化与成本：高纯度单壁管制备成本仍高于多壁管（约10倍），制约其在锂电领域的渗透率。
2.国内发展方向
设备国产化：突破CVD反应器、激光器等核心设备依赖进口的瓶颈。
复配技术：将单壁管与石墨烯、导电炭黑复配，降低电池材料中的添加量（从3%降至0.5%）。