“碳纳米管拥有一些独特的性质，或将成为下一代芯片、锂电池导电剂、导电线等的关键材料”

今年，清华大学化工系教授魏飞作了《纳米碳材料的结构控制、宏量制备及锂离子电池中的应用》主题报告。

清华大学化工系教授 魏飞

魏飞主要从碳纳米材料及其应用、结构完美的碳纳米管及超强力学性质、碳纳米管的批量生产与应用、纳米碳包覆制备硅碳负极材料四个方面介绍了碳纳米材料目前的研发进展及产业化状况。

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……

接下来，我们一起来看看这到底是什么样的材料，以及在具体领域的应用。

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碳纳米管发展迅速 将成为新时代的关键材料

从石器时代到青铜时代、铁器时代、钢铁时代，再到以硅为代表的信息时代。人类社会的发展史也是一部材料发展史。“在过去30多年间，碳材料在学术界热度持续发酵。”魏飞表示，团队始终坚持初衷，致力于研发出一种源自中国，并能定义一个新时代的材料。

早在二十多年前，美国政府在“国家纳米技术计划”的前言中提出，如果能研发一种强度、韧性为钢的100倍、密度是钢的1/6的超强材料，并且原料价格相对低廉。初步的研究发现，碳纳米管是此类超强材料的首选。“试想一下，如果碳纳米管能够实现规模制备，将对国家科技、安全、经济等带来什么影响呢？”对美国的国家安全、军事与经济的重要意义。

清华大学化工系已有22年的碳纳米管研究经验。魏飞介绍道，团队发现碳纳米管拥有一些独特的性质，或将成为下一代芯片、锂电池导电剂、导电线等产品的关键材料。

“假设我们想拉一根绳子、造一部天梯到近地轨道上，把卫星拽上太空。理论上来说，至少需要20GPa强度的超强材料。但是目前全球性能最优的碳纤维也难以超过7GPa。”魏飞指出，碳纳米管就可以做到如此高的强度，虽然碳纳米管在30年前才得到学术界的重视，但在最近短短十几年间，碳纳米管的强度等众多技术指标均超过了碳纤维。

“相信未来在大家深入研究之下，碳纳米管可以助力人类迈进‘天梯太空梦’。”魏飞兴奋地表示。

这样的材料到底是怎么样的呢？

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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。

具体来说，碳纳米管有什么用？

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赶上电动汽车“大浪潮” 助力优化电池材料导电性

魏飞指出，近年来新能源汽车行业推动着动力锂离子电池迅速发展，再加上新兴的可再生能源行业发展，或将改变全球依赖化石能源的面貌。“碳纳米管赶上了新能源发展热潮的好时机。”

电池材料对导电性的要求高，尤其是磷酸铁锂电池。碳纳米管技术则有助于优化电池材料的导电性。魏飞分析道，以聚团碳纳米管制备的碳浆2.0产品为例，其管径大、曲折因子高、稳定性弱，并且在动力电池中的添加量要求较大。而单分散的阵列碳纳米管形成的直而长的管曲折因子小，不缠绕，容易形成高效导电网络。因此，以碳纳米管制作而成的碳浆3.0产品，管径更细、曲折因子小、易分散、稳定性好，且在动力电池中所需的碳浆用量低。

在实际研究工作中，魏飞团队发现，碳纳米管可实现自催化的协同生长。阵列碳纳米管叠层生长速度高，将成长为一种长且直、导电性好、缺陷少的高性能材料。“总体而言，比起使用纳米碳纤维，使用叠层生长的碳纳米管的电池的容量等性能将高出不少。”魏飞表示。

9月份，法国初创公司那瓦科技(Nawa technology)宣称自己制造出了一种“超级”电极，它不仅可以缩短充电时间，还可以将电池功率提升10倍左右，将电池容量提升3倍，将电池寿命提升5倍，那瓦科技以生产“超级”电容器而闻名，而这种电极则使用了相似的技术，它可以被用在锂离子电池中，来提高纯电汽车的行驶性能。

其实，这项技术的关键就是活性物质在电极中的保存方式，以及离子传递电荷的路径。传统的活性炭电极是由粉末、添加剂以及粘合剂制成的，通常情况下它们被杂乱无章地粘在一起，也正因如此，带电粒子常以无规则、无顺序的路径到达用电器，而且它们经常会阻塞线路。

相反，那瓦科技的电极是一种垂直排列的碳纳米管结构，它看上去就像是一把毛刷，有很多个高导电纳米管从中伸出，它们聚集在一起就行成了微小而牢固的电极。然后，再在这些电极表面涂上活性材料，不要小看了这一点改变，它会让离子的运动速度成倍的增长，也就是说，在锂材料中 现在它只需要移动几纳米，而并非过去需要横穿整个平面电极，这将有效提高功率密度，从而加强电池的快速充电能力。

这意味着新技术电池的电量将会比之前提高10倍左右，而充电时间也将会相应地缩短。根据那瓦科技的数据，在配备配套充电基础设施的情况下，5分钟内就可以将电池从0充电至80%，这对于电动汽车来说无疑是一次飞跃，由于这些超轻纳米管之间并不存在间隙，所以并不需要粘合剂跟添加剂，这就使得新型电池的重量更轻，结构也更加简单。

不仅能量密度会提高2-3倍，电池性能以及使用寿命也将得到大幅度提升。想成为这样一块优秀的电池必须满足多种条件，其中，最主要的因素之一就是优良的电导率和热导率，而这正是这种新型碳材料所具有的显著特点。

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碳纳米管或将应用于高端芯片

魏飞表示，碳纳米管生长过程类似于生物进化，起初是混乱的。一旦发生变异将产生缺陷，导致碳纳米管中止生长。目前已经找到有效的方法，可以控制住碳纳米管的属性及缺陷程度。实验室已经实现了650㎜、4英寸的碳纳米管生长。

提及碳纳米管在未来的前沿探索，魏飞表示，由于碳纳米管具备高强度、高韧性、高效、化学稳定性以及碳原材料制备的成本相对较低等特征，控制好其结构，可以使之成为高端芯片及传感材料。

尽管如此，距离碳纳米管真正应用于芯片当中，仍有一段路要走。“目前我国碳纳米管性能在全球范围内名列前茅，只可惜目前我国的半导体工业无法跟上，因此碳纳米管应用于芯片仍然存在难度。”魏飞最后总结道。

文章来源： 新材料在线，Lock空间站，光明网