全球碳納米管行業壁壘及2025年市場需求預測：預計2025年全球動力鋰電領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）是一種同軸管狀結構的碳原子簇，其管徑與管之間相互交錯的縫隙都屬于納米數量級，根據管壁的層數可以將CNTs分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）。碳納米管自被發現以來就因為其優異的電學、力學、化學等性能，在多項領域中顯示出巨大應用潛力。（1）在鋰電池領域，碳納米管憑借優異導電性能，被廣泛應用于鋰電池新型導電劑。（2）在導電塑料領域，碳納米管憑借其優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構強度，已經顯現出巨大的應用價值。

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，碳納米管會發生彎曲、打卷絞結的情況，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單元結構，這種結構下共軛效應顯著，電子可以脫離單個碳原子的束縛而在較大范圍內自由運動。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生熱量，因此能量損失微小，其導電性能優于常規導電材料。
熱學性能	碳納米管具有優異的導熱性能，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
化學穩定性	碳納米管化學性質穩定，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，可以應用于航天、航空、國防、軍工等領域。

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一、碳納米管行業壁壘

在實際應用中，多組分混合型導電劑顯現出較單一組分導電劑更多的優勢，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的主要形式，顯現出更優異的性能表現。實際使用中，點狀結構的SP比較廉價，與線狀的CNTs或面狀的石墨烯組合使用，可發揮點、線、面的協同作用，使電池性能更好，實際應用中包括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生吸附、反應；反應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、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化量產工藝。
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工藝流程如下：（1）催化劑制備：該步驟為碳納米管生產的核心步驟，催化劑生產的質量、性能將直接影響后續產出的碳納米管質量。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碳納米管連續生產工藝以及相關設備均是核心技術難點，各廠家均建立了相對應設備專利體系。

（3）CNT純化工序（去除無定型碳以及金屬雜質）：不同型號產品需要經過不同的純化工序，其中高溫氧化主要除去碳納米管粗粉中無定形碳雜質；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。碳納米管粗粉經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：由于碳納米管粉分散性差、容易發生團聚，導致在應用過程中導電、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，新進入者主要面臨技術壁壘、客戶和市場開發壁壘、資金壁壘。目前碳納米管雖然在理論上和實驗室中已經證實有廣泛的應用空間，但由于專利保護、與下游應用對接難度大等因素，碳納米管規模化量產短期內還無法實現；碳納米管生產企業如果沒有制備、提取、分散等相應的核心技術或生產工藝，將難以生產具備競爭力的產品。其次，導電劑作為鋰電池電池的關鍵輔材之一，其質量與鋰電池的性能、安全性息息相關，下游鋰電池企業對導電劑供應商有嚴格的考察程序，考察周期長。再者，碳納米管行業作為新興行業，初創企業在技術研發、生產設備購置等方面的資金需求大。行業壁壘限制新進入者，龍頭企業不斷擴產規模化發展，品牌效應建立增強客戶之間的信任度，未來行業集中度有望提高。

碳納米管行業壁壘

行業壁壘	具體情況
技術壁壘	碳納米管生產技術要求高、尤其是能夠穩定、批量生產細管徑，高純度碳納米管需要積累豐富的經驗，不斷改進生產工藝
客戶和市場開發壁壘	下游鋰電池企業對于導電劑供應商有嚴格的考察程序，全面評估其產品質量、穩定性、一致性以及持續供貨能力，考察周期較長
資金壁壘	初創企業在技術研發、生產設備購置等方面的資金需求較大，并且隨著行業規模發展的加快，企業在研發、技術、設備、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域提前規劃深厚的專利布局。具體來看，碳納米管制備領域的主要專利壁壘主要體現在催化劑制備、宏量連續生產設備、分散設備、分散漿料&復合導電劑配方等方面。LGchem的專利申請數為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，天奈科技的發明申請與實用新型專利申請均位居行業第一位。

各公司在碳納米管領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域得到了快速應用和發展。預計2019-2025年全球動力鋰電領域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，市場規模將從2019年約9.5億元快速增長至約124億元。

智研咨詢發布的《2020-2026年中國碳納米管（CNTS）產業運營現狀及發展前景分析報告》數據顯示：2019年全球動力鋰電領域碳納米管需求量約1081噸，預計至2025年全球動力鋰電領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）