碳纳米管：新能源电池的未来之星？
碳纳米管：新能源电池的未来之星？
碳纳米管因其优异的电导率、热导率及力学性能，在改进锂离子电池和磷酸铁锂电池方面展现出巨大潜力。最新研究表明，通过高温处理和化学预处理方法，碳纳米管可有效提升电池容量和循环寿命，尤其在大倍率充放电性能上表现突出。这些突破使得碳纳米管成为新能源电池领域备受瞩目的新材料，有望在未来引领电池技术的发展潮流。
碳纳米管在电池中的应用方式
正极导电剂
目前，碳纳米管主要作为导电剂应用于锂电池的正极材料中。根据天奈科技的体系，碳纳米管可分为多壁碳纳米管（一代、二代、三代）、寡壁碳管（三代碳管和单壁碳管混合）以及单壁碳纳米管。在2024年以前的电池体系中，碳纳米管主要应用于以下场景：
磷酸铁锂正极：由于导电性较差，一般选择导电炭黑或导电炭黑与一代碳管复配。宁德时代2023年以前的磷酸铁锂电池均不使用碳纳米管，而比亚迪的磷酸铁锂电池则采用炭黑和一代碳管复配的形式。
三元正极：中镍5.6系三元一般使用二代碳管和炭黑复配导电，高镍超高镍8.9系则采用三代或寡壁碳管。低镍三元一般不选择碳纳米管作为导电剂。
碳纳米管在正极材料中的添加量一般占总重量的0.5%-1.5%。据天奈科技定增的可行性分析报告显示，1GWh锂电池对应的碳纳米管浆料添加量在0.06万吨左右。
硅基负极应用
随着电池技术的升级，碳纳米管在硅基负极中的应用成为新的研究热点。硅基负极虽然能量密度高，但存在导电性差、体积膨胀大、SEI不稳定等问题。研究表明，单壁碳纳米管可以有效解决这些问题。
据宁德时代的专利显示，硅基负极中可以添加0.3%的单壁碳纳米管粉体，以改善导电性和解决硅负极膨胀问题。每GWh电池对应的单壁碳纳米管粉体用量约为2.25吨，价值量约为1350万元。
最新研究成果：碳纳米管的“针刺效应”
清华大学魏飞教授团队针对不同种类碳纳米管对硅基负极性能的影响进行了深入研究。研究发现，长程单壁碳纳米管（SW-l）表现出最佳的循环性能，而短程碳纳米管（无论是单壁还是多壁）在循环过程中会产生更大的压应力，导致SEI和碳层破损，进而影响电池性能。
研究团队提出了“碳管在硅负极中的针刺效应”理论，揭示了碳管压应力、SEI组分和界面离子能垒之间的构效关系。具体而言，短碳管在电极循环过程中会受到更大的压应力，导致SEI和包覆层破裂，而长碳管由于柔性更强，压应力较低，可以避免这种针刺效应，从而提升电池性能。
商业化应用现状与前景
碳纳米管在锂电池领域的应用占比已超过80%，主要应用于新能源汽车产业和3C数码产业。随着新能源车企开始走高端化差异化路线，以及宁德时代、比亚迪、特斯拉等厂商在材料端的持续升级，预计多壁碳纳米管的二三代管、寡壁碳纳米管和单壁碳纳米管将逐渐放量进入1-10的过程。
据预测，到2025年，全球碳纳米管导电浆料市场规模将达到150亿元，2021-2025年复合增长率高达50%。随着技术的不断进步和成本的持续降低，碳纳米管在新能源电池领域的应用前景将更加广阔。
结语
碳纳米管作为新能源电池领域的新型材料，凭借其优异的电导率、热导率及力学性能，已经在锂电池正极导电剂领域得到广泛应用，并在硅基负极应用方面展现出巨大潜力。随着研究的深入和技术的进步，碳纳米管有望在未来引领电池技术的发展潮流，推动新能源汽车产业和3C数码产业的持续升级。