2020年中國碳奈米管產業結構分析及投資戰略可行性諮詢

2020年中國碳奈米管產業結構分析及投資戰略可行性諮詢

碳奈米管

作為一維奈米材料，重量輕，六邊形結構連線完美，碳奈米管的分子結構決定了它具有一些獨特的性質，由於巨大的長徑比（徑向尺寸在奈米量級，軸向尺寸在微米量級）碳奈米管表現為典型的一維量子材料。

物理化學性質:

(1)力學性質:

由於碳奈米管中碳原子採取SP2 雜化，相比SP3 雜化，SP2 雜化中S 軌道成分比較大，使碳奈米管具有高模量、高強度。碳奈米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳奈米管的強度比同體積鋼的強度高100 倍，重量卻只有後者的1/6 到1/7。碳奈米管因而被稱“超級纖維”。莫斯科大學的研究人員曾將碳

奈米管置於1011 Pa 的水壓下，由於巨大的壓力，碳奈米管被壓扁。撤去壓力後，碳奈米管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性。此外，碳奈米管的熔點是已知材料中最高的。

(2)電學性質:

由於碳奈米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學效能。理論預測其導電效能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs 的管徑大於6mm 時，導電效能下降；當管徑小於6mm 時，CNTs 可以被看成具有良好導電效能的一維量子導線。

(3)導熱性質:

碳奈米管具有良好的傳熱效能，CNTs 具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換效能很高，相對的其垂直方向的熱交換效能較低，透過合適的取向，碳奈米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外，碳奈米管有著較高的熱導率，只要在複合材料中摻雜微量的碳奈米管，該複合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。

(4)抗輻射性質:

2012年9月美國海軍研究實驗室發現由單壁碳奈米管制作的電晶體（SWCNT）具有在苛刻太空環境中生存的能力。新的研究顯示由碳奈米管制作的電晶體具有極強的抗電離輻射能力，在有電離輻射的情況下其工作效能幾乎不變。以SWCNT 為基礎的電晶體所具有的抗暫態效應和累積效應能力讓其有潛力在未來幫助太空電子裝置減少冗餘和差錯糾正電路，同時保持電子裝置的高保真質量。

產業鏈分析:

碳奈米管產品成本構成，原材料佔60%-70%，人工佔約5%，製造費用佔約25%-30%。其中原材料成本中NMP溶劑又佔原材料成本的50%-70%。目前碳奈米管產業鏈主要包括上游原材料、中游碳奈米管、下游各細分領域應用。

(1)上游:

製造碳奈米管的原料有很多種，其包括但不限於甲烷、一氧化碳、合成氣（H2，CO）、乙炔、丙烯、苯、甲苯、正己烷、炭黑、石墨、石蠟、二甲硫醚、乙醇、無煙煤等等，其中採用不同的原料所製得碳奈米管的量、形貌和效能是各不相同的。

碳奈米管制備過程必須輔以催化劑催化，否則所得產物只是無定型碳。只有加入催化劑後生成物中才含有大量的單、多壁碳奈米管。因此催化劑是碳奈米管制備必不可少的。目前常用的催化劑主要包括金屬單質和化合物，如Fe、Co、Ni、Mo、三氧化二鐵、鈣鈦礦氧化物、草酸鐵等等。

(2)中游:

目前常用的碳奈米管制備方法有石墨電弧法、化學氣相沉積法、催化裂解法和鐳射燒蝕法，工業化生產常用的方法是石墨電弧法和化學氣相沉積法。

①石墨電弧法:

在真空室中充入一定量的惰性氣體，用填充有鐵或鈷作為催化劑的較細的石墨棒作為陽極，而較粗的石墨棒作為陰極。透過石墨電弧法進行反應，在容器內壁上得到富含單壁碳奈米管的碳灰，經提純，可以得到單壁碳奈米管。

②化學氣相沉積法:

在1100~1200℃的溫度範圍內，以二茂鐵為催化劑，透過其引入量來控制催化劑顆粒的大小和碳氫比，以苯為碳源，新增適量的噻吩可以製得碳奈米管。

③鐳射燒蝕法:

在1200℃的電阻爐中，透過鐳射蒸發過渡金屬與石墨的複合材料棒，用流動的氬氣使產物沉積到水冷銅柱上，得到多壁碳奈米管。

④催化裂解法:

在600~1000℃的溫度及催化劑作用下，使含碳化合物裂解為碳原子，然後在過渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳奈米管。

(3)下游:

碳奈米管下游應用廣泛，具體涉及到工程材料領域的金屬、陶瓷和有機材料以及軍用裝備的超強纖維；奈米材料領域可以作為超耐高電流密度的奈米導線；電子器件領域主要用於新型電子探針、場致發射材料、功能感測器；儲能領域包括鋰電池導電劑、儲氫材料、超級容電器的應用；催化領域的石化和化工產業變革；機械領域的汽車或火車減震裝置等等。其主要細分應用領域為：

(1)在導電劑領域應用:

目前常用的鋰離子電池導電劑有炭黑、導電石墨、碳奈米管、石墨烯等，其中以Super-P-Li、科琴黑、乙炔黑為代表的炭黑為顆粒狀導電劑，其與活性材料之間形成的是點接觸，而碳奈米管與活性材料形成的是線接觸，能進一步提升其導電效能，同時碳奈米管良好的導熱性還有利於電池充放電時的散熱，減少電池的極化，提高電池的高低溫效能，延長電池迴圈壽命，因此，未來碳奈米管將逐漸替代常規炭黑類導電劑，其在鋰離子電池領域的應用將逐漸增多。

①碳奈米管導電漿料市場分析:

2014年之前，中國新能源汽車市場仍處於起步階段，炭黑類導電劑佔據大部分鋰電池導電劑市場。2014年以後，動力電池受新能源汽車市場需求帶動，產銷量大幅增長，碳奈米管導電劑能明顯提升磷酸鐵鋰體系和三元體系動力電池能量密度，應用逐漸增多。預計到2020年，中國碳奈米管導電漿料產值將達到28。62億元，年複合增長率達到35%。主要原因有三：

②碳奈米管在超級電容器領域應用:

碳奈米管比表面積大、結晶度高、導電性好，微孔大小可透過合成工藝加以控制，是一種理想的電雙層電容器電極材料。由於碳奈米管具有開放的多孔結構，並能在與電解質的交介面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達8000W/kg。

超級電容器對比主流蓄電池具有充放電次數長，充電時間極快，無任何記憶效應，安全等優點，碳奈米管的加入，可以大幅度提升常規超級電容器的效能。

③碳奈米管與導電聚合物複合製作電極材料:

將導電聚合物包覆於碳奈米管上，使二者優勢互補，複合電極材料具有優於導電聚合物的導電性和迴圈效能，而比容量也較碳奈米管有了大幅提高。

④碳奈米管產業化問題:

世界範圍來看，世界各國碳奈米管產業化主要面臨以下兩方面問題。首先，碳奈米管制備現狀大致是：多壁碳奈米管能較大量生產，單壁碳奈米管多數處於實驗室研製階段，某些製備方法得到的碳奈米管生長機理還不明確，對碳奈米管的結構（管徑、管長、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的結晶度等）還不能做到任意調節和控制，影響碳奈米管的產量、質量及產率的因素太多（如催化劑顆粒的大小、碳源的種類、溫度、混合氣體的種類及比例等），使製得的碳奈米管都存在雜質高、產率低等缺點，還沒有高效的純化碳奈米管的方法。

其次是如何更深入研究碳奈米管實際應用問題。例如，在常溫常壓下如何解析氫氣及加快其儲氫放氫速度。如何提高碳奈米管吸附容量的穩定性和吸附壓力的敏感性。再如，怎樣才能製備出效能更為優異或能預期其效能的碳奈米管複合材料。要解決這些共同難題，就需要一方面突破技術關鍵，進一步研究開發新的、成本低廉、適合於大規模生產碳奈米管的技術，透過建模和模擬來加強生長現象與機理研究；另一方面繼續深入研究其應用，把碳奈米管與各個領域結合起來，充分發揮其自身優異的特性。

企業現狀:

從近兩年碳奈米管導電漿料銷售額和出貨量來看，目前國內能夠量產碳奈米管的企業主要是天奈科技、三順奈米、青島昊鑫、集越奈米。

據中金企信國際諮詢公佈的《2020-2026年中國碳奈米管市場研究及投資建議預測報告》統計資料顯示:

2018年中國碳奈米管導電漿料銷售額約9。54億元，同比增長15。4%。2018年天奈科技、三順奈米、青島昊鑫、集越奈米四家企業碳奈米管導電漿料銷售額7。89億元，佔比82。7%，其中天奈科技銷售額3。25億元，佔比34。1%居首位。2018年中國碳奈米管導電漿料出貨量約2。61萬噸，四家企業碳奈米管導電漿料出貨量約2。13萬噸，佔比81。5%，其中天奈科技出貨量7891。31噸，佔比30。2%居首位。

2018年中國碳奈米管導電漿料不同企業銷售額比重分析

資料統計:中金企信國際諮詢

市場現狀及預測:

相對於碳黑和活性物質之間的“點-點”接觸，碳奈米管具有更高的導電效率，能夠在更少使用量下就達到整個電極的導電閾值，使活性材料表現出更好的電化學效能，並提高電池的能量密度。因此碳奈米管產品憑藉優異的導電性，正作為新型導電劑逐步應用於鋰電池領域，用以提升鋰電池導電效能、迴圈壽命和能量密度。

未來四年，全球碳奈米管導電漿料需求量有望保持40。8%的年複合增長率，至2023年其需求量將達到19。06萬噸；對應產值為55。4億元，其中動力貢獻為47。9億元，佔比為86。5%。未來全球碳奈米管導電漿料增長主要來自以下幾個方面：第一，中國三元動力電池市場對碳奈米管導電漿料需求保持高速增長；第二，三星SDI、松下等日韓企業加速在動力鋰電池領域匯入碳奈米管導電漿料；第三，矽基負極市場逐漸放量，對碳奈米管導電漿料需求提升。

當前我國碳奈米管市場規模較小，2018年產值僅約為11億元。但未來隨著進口替及新能源車增長拉動行業有望快速增長，預計2023年中國碳奈米管市場規模有望達到約40億元。自2014年以來碳奈米管逐年保持增長，2018年碳奈米管在動力鋰電池中的滲透率為31。8%，。預計至2023年，滲透率有望進一步快速提升至82。2%。