全球碳纳米管行业壁垒及2025年市场需求预测：预计2025年全球动力锂电领域碳纳米管需求量达到14156吨[图]

碳纳米管文争 2020-06-05 05:53 来源：智研咨询

碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）是一种同轴管状结构的碳原子簇，其管径与管之间相互交错的缝隙都属于纳米数量级，根据管壁的层数可以将CNTs分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。碳纳米管自被发现以来就因为其优异的电学、力学、化学等性能，在多项领域中显示出巨大应用潜力。（1）在锂电池领域，碳纳米管凭借优异导电性能，被广泛应用于锂电池新型导电剂。（2）在导电塑料领域，碳纳米管凭借其优越的导电性能和力学性能，用来提升导电塑料的导电性和结构强度，已经显现出巨大的应用价值。

碳纳米管具备显著的力学、电学、热学性能

项目	性能优势
力学性能	碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。按理论计算，碳纳米管的强度可为钢的100倍，而密度只有钢的1/6。碳纳米管还有极高的韧性，硬而不脆，当外部施加巨大的压力时，碳纳米管会发生弯曲、打卷绞结的情况，但是不会断裂；当外力释放后，碳纳米管又将恢复原状。
电学性能	碳纳米管具有良好的电学性能，碳纳米管的碳原子以正六边形的微观形式组成基础单元结构，这种结构下共轭效应显著，电子可以脱离单个碳原子的束缚而在较大范围内自由运动。理论上碳纳米管导电性能仅次于超导体。电子通过碳纳米管时不会产生热量，因此能量损失微小，其导电性能优于常规导电材料。
热学性能	碳纳米管具有优异的导热性能，可以沿管长方向迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料，其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍
化学稳定性	碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能，可以应用于航天、航空、国防、军工等领域。

数据来源：公开资料整理

一、碳纳米管行业壁垒

在实际应用中，多组分混合型导电剂显现出较单一组分导电剂更多的优势，目前CNT+SP、CNT+KB等多组分导电剂成为CNT大批量导入实际生产的主要形式，显现出更优异的性能表现。实际使用中，点状结构的SP比较廉价，与线状的CNTs或面状的石墨烯组合使用，可发挥点、线、面的协同作用，使电池性能更好，实际应用中包括SP+KB、CNT+SP以及CNT+GN等多种多组分导电剂成为重要的实际应用方案。

多组分导电剂电化学阻抗对比（单位：EIS，Ω•cm2）

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截止目前碳纳米管的制备方法主要包括电弧放电法、激光烧灼法和化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）等。在CVD机制中，碳源在催化剂表面发生吸附、反应；反应形成的碳原子溶解到催化剂中，当其达到饱和后，碳原子不断析出形成碳纳米管；并且CVD工艺可在低温、常压下低成本的制备，并可在生长过程中对碳纳米管壁数、直径、长度、以及取向进行控制，成为目前为止最具潜力的工业化量产工艺。
核心工艺为催化剂条件下的化学气相沉积（CVD,ChemicalVaporDeposition）碳纳米管粉体的主要生产工艺流程如下：（1）催化剂制备：该步骤为碳纳米管生产的核心步骤，催化剂生产的质量、性能将直接影响后续产出的碳纳米管质量。Fe/Co和Ni等纳米过渡金属催化剂在CNT生长过程中具有较高的催化活性及缓和的生长条件，是常用的CNT催化剂材料；另一方面，除材料配方外，碳纳米管的直径很大程度依赖于纳米催化剂颗粒的大小。因此包括催化剂的材料配方、粒径大小、一致性控制等，均是碳纳米管生产的核心工艺难点。

（2）CVD碳纳米管生长：将催化剂放入碳纳米管反应器，再将甲烷或丙烯（碳氢化合物）、氢气（抑制径向生长）、氮气等按一定比例、气流速度导入，在高温条件下生长得到碳纳米管粗粉。其中CVD碳纳米管连续生产工艺以及相关设备均是核心技术难点，各厂家均建立了相对应设备专利体系。

（3）CNT纯化工序（去除无定型碳以及金属杂质）：不同型号产品需要经过不同的纯化工序，其中高温氧化主要除去碳纳米管粗粉中无定形碳杂质；酸洗提纯、石墨化主要除去碳纳米管粗粉中的催化剂金属杂质。碳纳米管粗粉经过纯化工序后得到碳纳米管纯粉。

（4）粉碎：最后，将碳纳米管纯粉放入粉碎机进行粉碎，制备得到分散性较好的碳纳米管粉体。

（5）碳纳米管导电浆料生产：由于碳纳米管粉分散性差、容易发生团聚，导致在应用过程中导电、导热性等大幅不及预期，目前的主流工艺是在将CNT粉体与NMP、分散剂等进行混合，以浆料形式向下游客户销售。①按照一定比例将分散剂和溶剂（NMP或去离子水）进行搅拌，使得分散剂与溶剂充分融合，随后加入一定比例的碳纳米管粉体，充分搅拌均匀至碳纳米管粉体在溶剂中预分散。②将预分散好的浆料投入砂磨机进行分散，制备得到分散均匀的碳纳米管导电浆料。

对于碳纳米管行业，新进入者主要面临技术壁垒、客户和市场开发壁垒、资金壁垒。目前碳纳米管虽然在理论上和实验室中已经证实有广泛的应用空间，但由于专利保护、与下游应用对接难度大等因素，碳纳米管规模化量产短期内还无法实现；碳纳米管生产企业如果没有制备、提取、分散等相应的核心技术或生产工艺，将难以生产具备竞争力的产品。其次，导电剂作为锂电池电池的关键辅材之一，其质量与锂电池的性能、安全性息息相关，下游锂电池企业对导电剂供应商有严格的考察程序，考察周期长。再者，碳纳米管行业作为新兴行业，初创企业在技术研发、生产设备购置等方面的资金需求大。行业壁垒限制新进入者，龙头企业不断扩产规模化发展，品牌效应建立增强客户之间的信任度，未来行业集中度有望提高。

碳纳米管行业壁垒

行业壁垒	具体情况
技术壁垒	碳纳米管生产技术要求高、尤其是能够稳定、批量生产细管径，高纯度碳纳米管需要积累丰富的经验，不断改进生产工艺
客户和市场开发壁垒	下游锂电池企业对于导电剂供应商有严格的考察程序，全面评估其产品质量、稳定性、一致性以及持续供货能力，考察周期较长
资金壁垒	初创企业在技术研发、生产设备购置等方面的资金需求较大，并且随着行业规模发展的加快，企业在研发、技术、设备、人才等方面的投入不断增加，资金实力成为市场参与者进入的门槛

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截止目前全球主流碳纳米管生产商包括天纳科技、三顺纳米、青岛昊鑫以及韩国LGchem等，各自均已在碳纳米管领域提前规划深厚的专利布局。具体来看，碳纳米管制备领域的主要专利壁垒主要体现在催化剂制备、宏量连续生产设备、分散设备、分散浆料&复合导电剂配方等方面。LGchem的专利申请数为43，位居第一，天奈科技、三顺纳米、青岛昊鑫分列二到四位；其中，天奈科技的发明申请与实用新型专利申请均位居行业第一位。

各公司在碳纳米管领域完成了充足的专利布局（单位：个）

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二、碳纳米管行业市场需求预测

受益于CNT导电剂带来的导电剂用量减少、电池带电量提升，以及性能方面的改善（低温性能、散热性能等提升），碳纳米管导电剂在动力锂电领域得到了快速应用和发展。预计2019-2025年全球动力锂电领域CNT导电剂浆料用量将从2.7万吨快速提升至35.4万吨，2019-2025年需求复合增速约54%。按照单吨CNT导电剂浆料3-4万元/吨计算，市场规模将从2019年约9.5亿元快速增长至约124亿元。

智研咨询发布的《2020-2026年中国碳纳米管（CNTS）产业运营现状及发展前景分析报告》数据显示：2019年全球动力锂电领域碳纳米管需求量约1081吨，预计至2025年全球动力锂电领域碳纳米管需求量将达到约14156吨，2019-2025年CAGR约54%。

2019-2025年全球动力CNT需求量预测（吨）