碳纳米管在新能源电池的应用前景：技术突破与市场机遇
碳纳米管在新能源电池的应用前景：技术突破与市场机遇
碳纳米管在锂电池中的技术应用
碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是人类能够合成的最顶级材料之一，其无与伦比的结构和材料特性，在微观尺度和宏观尺度上均有大量的应用前景。在新能源电池领域，碳纳米管主要用作导电剂，以提升电池的性能。
根据石墨烯层数差异，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。其中，单壁碳纳米管具有以下优势：
安全性能优：在45°C高温多周循环下，添加单壁碳纳米管的软包电池内阻增长明显低于其他导电剂，表明电池着火风险更小。
提升极片附着力：单壁碳纳米管网络将正极材料颗粒连在一起，提高了颗粒之间的连接强度，这对易粉化、易脱落的硅基负极尤为重要。
结构简单、化学性质稳定：单壁碳纳米管结构简单、均匀一致性好，缺陷少、化学性质稳定。
添加量少、导电性优：单壁碳纳米管长度-直径比较高，能够在极低添加量下形成三维导电网络。其强大的碳碳键使得载流量高于铜等金属1000倍以上。
弹性好、机械性能高：单壁碳纳米管具有更强的柔韧性，弹性模量和抗拉强度显著优于多壁碳纳米管。
导热性好：单壁碳纳米管的单位质量导热系数高于多壁碳纳米管，同时二者都能承受750°C以上的高温。
在实际应用中，碳纳米管的添加量一般占正极材料总重量的0.5%-1.5%。以天奈科技的数据为例，1GWh锂电池对应的碳纳米管浆料添加量约为0.06万吨。在硅基负极体系下，单壁碳管粉体每GWh添加量约为0.3%，对应成本约1350万元。
市场前景广阔
随着新能源汽车和储能市场的快速发展，对锂离子电池性能的要求不断提高，推动了导电剂技术的升级。碳纳米管作为新型导电剂，具有比传统导电剂（如炭黑、导电石墨等）更好的导电性，能够提升电池能量密度和循环寿命。
根据起点研究院（SPIR）的预测，到2030年全球单壁碳纳米管浆料市场规模将达到178亿元，2024-2030年年均复合增速高达49.4%。这一增长主要由以下几个因素驱动：
单壁碳纳米管优异的性能：其导电效率超过多壁碳纳米管十倍以上，可以同时应用于锂电池的正极与负极材料中，大幅提升电池性能。
快充技术的发展：单壁碳纳米管能显著提升锂电池的倍率性能，满足快充需求。目前不少企业对于3C以上的电池，会选用单壁与多壁互配的方式添加，4C电池甚至会单独添加2%-4%的单壁碳纳米管。
硅基负极的应用：硅基负极需要大量使用导电剂，而单壁碳纳米管可以改善其导电性，同时提高结构稳定性和循环性能。
新型电池技术：大圆柱电池和固态电池的逐步放量将进一步推动单壁碳纳米管行业增长。
企业布局加速
LG化学是韩国最大的化学品制造商，也是全球领先的碳纳米管生产商之一。该公司已建成韩国最大的碳纳米管制造工厂，目前总产能达到1700吨。LG化学的丽水CNT二厂扩建工程投资650亿韩元（约5830万美元），新增年产能1200吨，采用自主研发的流化床反应器，实现了完全自动化生产，并通过工艺创新将耗电量降低了30%。
该工厂生产的碳纳米管主要作为导电添加剂供应给全球领先的电动汽车电池公司。同时，其应用范围正在不断扩大，包括表面加热元件和半导电高压电缆等领域。LG化学计划继续扩大产能，以满足全球CNT需求的快速增长。据预测，全球CNT需求将从2023年的5000吨增长到2024年的20000吨，年增长率高达40%。
相比石墨烯的优势
虽然石墨烯在新能源电池领域也有广泛应用，但碳纳米管在某些方面具有独特优势：
导电性：单壁碳纳米管的导电性优于石墨烯，能够更有效地提升电池性能。
机械性能：碳纳米管具有更高的机械强度和弹性，能更好地应对电池充放电过程中的体积变化。
应用场景：在解决硅基负极体积膨胀问题上，碳纳米管的效果优于石墨烯。单壁碳纳米管能够有效改善硅基负极的导电性，提高结构稳定性，延长电池使用寿命。
商业化程度：目前全球能实现单壁碳纳米管规模化生产的只有少数几家企业，如OCSiAl、天奈科技、道氏技术等，而石墨烯的商业化应用相对更为成熟。
尽管单壁碳纳米管目前面临生产成本高、技术难度大等挑战，但随着技术进步和规模效应的显现，其价格有望逐步下降，进一步推动在新能源电池领域的应用。
结语
碳纳米管在新能源电池领域的应用前景广阔，其优异的导电性、机械性能和化学稳定性使其成为提升电池性能的关键材料。随着技术进步和市场需求的增长，碳纳米管产业将迎来快速发展期，为新能源革命提供重要支撑。