自碳纳米管被发现30年来，我国研究水平基本上与世界先进水平并驾齐驱，并在部分领域处于世界领先。碳纳米管导电剂一改我国锂电池企业导电剂依赖进口的局面；碳纳米管薄膜成功用于高端户外保暖服以及医疗康复等产业；基于半导体型碳纳米管的集成电路和显示器背板驱动器件也被开发出来……

8月5日，景德镇黑猫集团有限责任公司旗下黑猫股份高性能材料公司（以下简称“黑猫股份”）举行碳纳米管项目开工仪式。

该项目位于景德镇市昌江区历尧古老山地块，总投资约6.8亿元，建设内容包括5000吨/年碳纳米管粉体及配套产业一体化项目，主要产品碳纳米管为锂电池导电剂、导电塑料等新材料的原料。

受锂电池需求增长的拉动，作为一种重要的锂电材料，碳纳米管这一技术壁垒高的产业正站上风口。今年以来，一批项目正加速布局。

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一根长度米级、直径纳米级的管

作为最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演着举足轻重的角色。1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理学家饭岛澄男在电弧法制备的碳材料中观察到了碳纳米管，从此开启了碳纳米管研究的热潮。

“从结构上来说，碳纳米管可以形象地看做是由单层或者多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构。”中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(以下简称苏州纳米所)研究员李清文告诉科技日报记者。

碳纳米管就像一根细长的头发丝，它的长度可以达到米级，而直径却可以小到纳米尺度。这么细长的纳米管状结构是怎么制备出来的呢？

饭岛澄男首次发现的碳纳米管是通过电弧放电法制得的。现在，碳纳米管已经发展出激光烧蚀法、化学气相沉积法(CVD)、固相热解法等多种制备方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易于规模化制备而被广泛采用。

李清文介绍说，用CVD制备碳纳米管时，碳原子在催化剂表面吸附、扩散、溶解并达到饱和后析出形成碳纳米管。催化剂作为碳纳米管成核生长的位点，对于碳纳米管的直径、壁数、手性起着决定性作用。催化剂结构设计以及生长条件调控是实现碳纳米管可控生长的重要途径。

作为纳米碳材料家族的重要一员，碳纳米管以其优异的力学、电学和热学特性被誉为“万能基材”，在结构功能一体化复合材料、电池电极、集成电路、传感器件、电加热器件等领域具有巨大的应用前景。

1996年诺贝尔化学奖得主、富勒烯的发现者斯莫利认为，碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的材料，同时也是最好的热和电的导体。

“碳纳米管强度是同体积钢的100倍，重量却只有钢的1/6—1/7。”李清文解释说，碳纳米管的长径比达106以上，因而又被称作超级纤维。

碳纳米管的奇特之处还在于其特殊的电学性质，根据其结构不同，碳纳米管可展现出金属性和半导体性，为开发新型电子器件奠定了基础。

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项目加速布局中

6月24日，江苏天奈科技股份有限公司（以下简称“天奈科技”）发布公告称，计划在德国汉诺威投资设立德国天奈，项目总投资1300万欧元（约合人民币9143万元）建设碳纳米管导电浆料等相关复合产品的欧洲生产基地，开展“年产3000吨碳纳米管导电浆料生产线项目”。此外，拟在江苏镇江建设天奈科技年产450吨单壁碳纳米管项目。

5月8日，天奈科技发布公告称，拟投资约30亿元在四川省成都市下辖的彭州市依法设立子公司并投资建设天奈科技西部基地项目，建设碳纳米管及相关复合产品生产项目以及天奈科技成都研发中心。该项目一期分两个阶段建设：一阶段拟建设年产5000吨多壁碳纳米管及800吨氢气（副产）；二阶段拟建设年产5000吨多壁碳纳米管及800吨氢气（副产）；二期拟建年产1万吨碳纳米管及相关复合产品生产项目。另外成都研发中心也主要开展碳纳米管在半导体领域及其他多元化应用领域的研究与开发。

除上述公告项目外，天奈科技筹建中的生产项目包括：“年产300吨纳米碳材与2000吨导电母粒、8000吨导电浆料项目”“碳纳米管与副产物氢及相关复合产品生产项目”“碳纳米管复合产品生产项目”“年产8000吨碳纳米管导电浆料生产线项目”。

4月10日，广东道氏技术股份有限公司（简称“道氏技术”）发布公告称，其子公司格瑞芬拟与兰州新区管理委员会签署《碳材料项目合同书》，拟新设控股子公司投资建设“年产5000吨碳纳米管粉体、3万吨碳纳米管浆料（含相关产业链配套）和15万吨硅碳、石墨负极材料及石墨化加工生产项目”。根据规划，该项目总投资60亿元，分两期建设，一期已于7月3日正式开工，建设周期16个月；二期计划于2024年1月底开工，建设周期14个月。

4月22日，江西黑猫炭黑股份有限公司（简称“黑猫股份”）发布公告称，拟在江西省景德镇市设立全资子公司江西黑猫高性能材料有限公司”（简称“黑猫高材”），并以其为主体建设“年产5000吨碳纳米管粉体及配套产业一体化项目”。该项目预计总投资约6.8亿元，分三期建设，其中一期建设500吨/年碳纳米管粉体产能，预计2022年底建成投产；二期建设2500吨/年碳纳米管粉体产能，预计2024年底建成投产；三期建设2000吨/年碳纳米管粉体产能，预计2026年底建成投产。

4月1日，深圳市中科纳米科技有限公司（简称“中科纳米”）年产5000吨碳纳米管项目在湖南省常德市临澧县正式签约，项目总投资1.5亿元，分三期建设。

1月11日，锂电龙头企业宁德时代旗下全资子公司问鼎投资成为无锡东恒新能源材料有限公司（以下简称“东恒新能源”）股东之一，通过入股的方式布防碳纳米管业务。据了解，东恒新能源成立于2011年，由无锡东恒纺织有限公司和复旦大学进行产学研合作转型而成，主要从事纳米材料和新能源材料产品的开发、应用与销售。其主要产品包括碳纳米管导电浆料、锂离子电池石墨烯、锂离子电池石墨烯和碳纳米管导电浆料的融合研发。截至目前，东恒新能源的碳纳米管粉末和碳纳米管导电浆料产品已成功进入比亚迪、三星、天津力神、哈光宇、ATL、万向等海内外企业供应链。

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下游锂电池导电剂需求旺盛

多家企业不约而同“瞄准”碳纳米管领域，无疑是看中了其未来市场的“潜力”。

碳纳米管产业链上游主要是丙烯、液氮，其制备方法主要包含化学气相沉积法、激光蒸发法、石墨电弧法和水热法，工业上常使用化学气相沉积法；下游应用于锂电池服务新能源汽车产业和3C数码产业，应用于导电塑料、服务电力基础设施、半导体产业等。

目前，碳纳米管商业化且大规模应用的领域主要集中于锂电池导电剂和导电塑料。其中超过75%的需求来自锂电池导电剂领域。基于碳纳米管杰出的导电性能，可以制备优良的锂电池导电剂，在实际使用过程中，可通过提高锂电池正负极导电性进而增强锂电池的能量密度和循环寿命。

导电剂是锂电池的关键辅材，主要作用是提升正负极的导电性。锂电池正极活性材料普遍存在导电性差的问题，使得电极内阻较高、放电深度不够，进而导致活 性材料利用率低、电极的残余容量较大。而导电剂在其中发挥着： 1）提升电子在电极中传输速率，提升导电性； 2）提升极片对电解液的浸润，提高锂离子迁移速率，改善电极充放电效率和使用寿命； 3）充放电过程中正极材料体积变动时，构建良好导电网络，改善导电性。 目前主流导电剂为炭黑类、碳纳米管、导电石墨类、VGCF（气相生长碳纤维）和石墨烯。

近几年，新能源汽车市场飞速发展，对动力电池倍率性、低温性、快充性以及能量密度要求也在不断提高。与传统导电剂相比，碳纳米管导电剂能显著提升电池性能。

碳纳米管和石墨烯导电剂相较于传统导电剂具有导电性能好、用量少的特点。炭黑类、导电石墨类和VGCF作为传统的导电剂，其在活性物质之间各形成点、面 或线接触式的导电网络；碳纳米管和石墨烯属于新型导电极材料，其分别形成线接触式和面接触式导电网络。 在用量方面，导电剂的添加量取决于不同电池生产商的电化学体系，一般为正极或负极重量的1%-3%，碳纳米管导电剂的粉体使用量仅为传统导电剂的1/6-1/2 。根据GGII预测，2021年炭黑依旧是市场最主流的导电剂，其出货量占比有望达到69.7%；碳纳米管渗透率持续上升，有望达到21.2%。

高工产业研究院（GGII）数据显示，2021年中国锂电池用导电剂粉体出货同比增长109%，达2.1万吨，其中常规导电剂出货量（不含复合导电剂）为1.8万吨，碳纳米管粉体导电剂（含其复合导电剂）出货量同比增长60%，为0.3万吨，折合碳纳米管导电浆料达7.8万吨（以4%固含量折算），成为导电剂市场中增长最为强劲的部分。

据行业相关人士预计，2022年有望成为硅碳负极产业化元年。随着硅碳负极需求的增长，碳纳米管等配套材料有望同步受益。此外，4680大圆柱电池产业化提速，也将在很大程度上提升碳纳米管的市场需求。GGII预计，2022年中国碳纳米管导电浆料出货量将突破12万吨，至2025年将突破32万吨，成为锂电池导电剂领域中成长性最高的种类，加快对传统导电剂的替代，在动力锂电池领域的渗透率将达到60%。

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导电剂中渗透率正逐年提升

从催化剂制备到大规模生产再到分散剂的选择，碳纳米管的生产过程存在众多技术难点，行业技术壁垒较高，市场集中度较高。公开资料显示，全球碳纳米管生产企业已超百家，年产能超万吨，产能集中于中国、欧洲和美国，其中中国占51.8%，是碳纳米管最大供应国。碳纳米管年产能排名靠前的企业包括东亚的昭和电工、LG化学，欧洲的阿科玛、Nanocyl，以及国内的天奈科技、青岛昊鑫、三顺纳米（被卡博特收购）。其中，国内企业天奈科技上市后一举成为全球最大的碳纳米管生产企业。

目前，碳纳米管行业最大的增长驱动力来自于锂电池领域两大板块——动力锂电池和数码锂电池。随着新能源汽车的普及率提高和5G手机推广引发换机潮，锂电池行业将迎来蓬勃发展的机遇，拉动对锂电池导电浆料的需求；而新能源汽车和5G手机对锂电池的能量密度和循环寿命的要求不断提高，将进一步凸显碳纳米管导电浆料的优势，加速在导电剂中的渗透。

在全球大力发展新能源汽车和锂电池导电剂国产化趋势下，碳纳米管作为少数不依赖进口，而且国内产能领先世界的导电剂，将被更多地运用到锂电池导电剂中。据天奈科技预计，2023年碳纳米管在动力、数码锂电池导电剂渗透率将分别达到82.2%、31.9%。

作为下一个细分领域行业风口，碳纳米管市场或将重新进行洗牌，拥有技术、资金、供应链等优势的企业，将有望占据竞争高地，乘风而起！

本文来源：中国化工信息周刊，科技日报，未来智库