Molti membri del personale di ricerca e sviluppo dei materiali rimangono sconcertati quando vedono il preventivo per nanotubi di carbonio a parete singola-o semiconduttori mentre richiedono campioni alla catena di fornitura. Entrambi sono polveri nere, quindi perché i nanotubi di carbonio a parete multipla-costano solo poche dozzine di RMB per chilogrammo, mentre i nanotubi di carbonio di alta-parete singola-o semiconduttori possono costare diverse migliaia o addirittura decine di migliaia di RMB al grammo? Perché i nanotubi di carbonio di alta-qualità (a parete-singola/semiconduttori) sono così costosi?
1. A parete-singola e a parete-multipla: stessi nanotubi di carbonio, differenza di prezzo di cento-volte
Il prezzo dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) è in genere più di 100 volte superiore a quello dei nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNT). I normali tubi a parete multipla-costano 60.000-500.000 RMB/tonnellata, mentre i tubi a parete singola possono raggiungere dai 6 ai 20 milioni di RMB/tonnellata.
Cosa significa questo? Un chilogrammo di polvere di nanotubi di carbonio a parete singola-di alta qualità viene venduto a 6.000-20.000 RMB - più o meno l'equivalente del prezzo di un'auto familiare di fascia media. Non c'è da stupirsi che nel mondo dei materiali venga chiamato "oro nero".
| Dimensione di confronto | Nanotubi di carbonio-a parete multipla (MWCNT) | Nanotubi di carbonio a parete singola-(SWCNT) |
|---|---|---|
| Diametro del tubo | 7-100 nanometri | 1-2 miglia nautiche |
| Prezzo di vendita | 100.000-200.000 RMB/tonnellata | 6.000.000-20.000.000 RMB/tonnellata |
| Efficienza conduttiva | Richiede un'aggiunta dello 0,5%+ | Anche solo lo 0,03% può ottenere risultati significativi |
| Posizionamento delle applicazioni | Cavallo di battaglia industriale, priorità-economica | Il re dei nanomateriali, prestazioni massime |
2. Da dove viene il costo? Tre link "Soldi-bruciati".
Il prezzo-altissimo dei nanotubi di carbonio a parete singola-deriva dal triplice effetto di "difficile preparazione, difficile separazione e bassa capacità di produzione". Ogni collegamento richiede investimenti tecnici e di attrezzature estremamente elevati.
2.1 Preparazione: livello atomico-"Controllo di precisione"
Le prestazioni dei nanotubi di carbonio dipendono dalla loro chiralità (angolo di rotolamento) e dal diametro. Il diametro dei nanotubi di carbonio a parete singola-è di soli 1-2 nanometri. La crescita di tubi così sottili su catalizzatori richiede un controllo estremamente elevato sulla temperatura, sulla portata della fonte di carbonio e sul rapporto del catalizzatore.
Sebbene l’attuale metodo CVD (deposizione chimica in fase vapore) possa essere utilizzato per la produzione industriale, il prodotto sintetizzato contiene inevitabilmente una miscela di nanotubi di carbonio metallici e semiconduttori. In altre parole, il processo di crescita non discrimina - entrambi i tipi crescono insieme ed è impossibile "produrre solo il tipo che si desidera".
Dal punto di vista della struttura dei costi, i costi delle materie prime rappresentano il 40-60% dei costi totali di produzione dei nanotubi di carbonio. I tubi a parete singola- hanno requisiti più rigorosi in termini di purezza della fonte di carbonio e catalizzatori, con costi delle materie prime di gran lunga superiori a quelli dei tubi a parete multipla.
2.2 Separazione e purificazione: raccogliere i "fagioli dorati" da un "vaso misto"
Questo è il collegamento che contribuisce maggiormente al "premium" dei nanotubi di carbonio a parete singola-. Per fabbricare dispositivi elettronici come i transistor, è necessario utilizzare nanotubi di carbonio semiconduttori a parete singola-. - tubi metallici distruggerebbero le caratteristiche di commutazione dei transistor.
Ma il problema è che separare in modo efficiente i nanotubi di carbonio semiconduttori e metallici dalle miscele rimane una sfida-di livello mondiale. I metodi comuni includono la centrifugazione in gradiente di densità, la separazione elettroforetica e la funzionalizzazione selettiva. Questi metodi sono ingombranti e a basso rendimento oppure estremamente costosi e difficili da scalare.
Un progetto TFT stampato su nanotubi di carbonio a livello nazionale-mostra che, dopo complessi processi di purificazione, è possibile preparare nanotubi di carbonio semiconduttori con purezza superiore al 99,997% - ma il raggiungimento di questo livello di purezza comporta un costo estremamente elevato in termini di complessità del processo e investimento di tempo.
2.3 Panorama del mercato: pochi operatori monopolizzano l’offerta
La scarsità fa salire i prezzi. Attualmente, OCSiAl da solo detiene circa il 90% della quota di mercato globale dei nanotubi di carbonio a parete singola-, con una capacità produttiva esistente di circa 100 tonnellate. A livello nazionale, Tianneng Technology sta portando avanti la costruzione di 150 tonnellate di capacità produttiva.
Dal lato della domanda, il mercato globale dei nanotubi di carbonio-a parete singola si sta rapidamente espandendo a un tasso di crescita annuo composto del 49,5%. Lo squilibrio tra domanda e offerta supporta ulteriormente il prezzo elevato.
3. Perché è "costoso" ma prezioso? Le prestazioni sono la chiave di volta
Il prezzo ultra-elevato dei nanotubi di carbonio a parete singola- è supportato dalla loro efficienza conduttiva, proprietà meccaniche e conduttività termica di gran lunga superiori rispetto ai tubi a pareti multiple-.
Il fatto che il prezzo sia elevato o meno dipende dal "costo-efficacia". Quanto sono efficaci i nanotubi di carbonio a parete singola-?
| Indicatore di prestazione | Nanotubi di carbonio a parete singola-(SWCNT) | Nanotubi di carbonio-a parete multipla (MWCNT) |
|---|---|---|
| Modulo elastico | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Resistenza alla trazione | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Conducibilità termica | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Quantità minima di additivo conduttivo | 0.01% | 0.5% |
Prendendo come esempio le applicazioni delle batterie al litio: nei catodi LFP, i nanotubi di carbonio a parete multipla- richiedono un'aggiunta dello 0,9% per ottenere una resistività di volume di 13,80 Ω·cm. I nanotubi di carbonio a parete singola- richiedono solo lo 0,03% (1/30 di MWCNT) per ottenere una resistività inferiore di 4,77 Ω·cm.
Il divario è ancora più pronunciato nei sistemi con anodi di silicio: i MWCNT richiedono un'aggiunta del 3% per una resistività di 0,78 Ω·cm; Gli SWCNT richiedono solo lo 0,3% (1/10), riducendo la resistività a 0,75 Ω·cm.
Ciò significa: sebbene il prezzo unitario degli SWCNT sia elevato, la quantità di utilizzo è estremamente bassa. Nelle formulazioni di batterie-di fascia alta, il costo complessivo potrebbe non essere necessariamente superiore rispetto all'utilizzo dei MWCNT.
4. Nuovo materiale Shandong Tanfeng: esplorazione della localizzazione di SWCNT di alta-qualità
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. sta promuovendo attivamente la localizzazione di nanotubi di carbonio di alta-qualità. I suoi prodotti della serie TF coprono nanotubi di carbonio a parete singola/multi-con una purezza maggiore o uguale al 98%, che rappresenta una forza significativa per rompere il "monopolio dei prezzi elevati-".
La ragione fondamentale del prezzo elevato è la barriera tecnica. Per rompere il monopolio è necessaria la sostituzione interna - esattamente ciò che sta facendo Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd..
Il nuovo materiale Shandong Tanfeng, in virtù del suo sistema catalitico anti-sinterizzazione ad alta-efficienza sviluppato internamente e dei processi di purificazione continui, ha migliorato significativamente la resa dei nanotubi di carbonio a parete singola-e ridotto i residui di impurità. È un potente produttore che promuove la riduzione dei costi per i tubi in carbonio di fascia alta-. In qualità di produttore nazionale profondamente radicato nei materiali a base di carbonio-, sta superando questa barriera di prezzo nelle seguenti tre dimensioni:
Innovazione nella tecnologia Catalyst Anti-sinterizzazione:Tanfeng New Material utilizza uno speciale catalizzatore supportato che inibisce efficacemente la sinterizzazione ad alta-temperatura durante la crescita dei nanotubi di carbonio a parete singola-, estendendo la durata del catalizzatore di oltre 3 volte e aumentando la resa di crescita macroscopica degli SWCNT di oltre il 20%, riducendo i costi del materiale alla fonte.
Processo continuo di purificazione e rimozione delle impurità:Prendendo di mira le grandi quantità di carbonio amorfo e residui metallici nei prodotti SWCNT grezzi, Shandong Tanfeng ha abbandonato il lavaggio acido batch inefficiente e ha sviluppato apparecchiature di purificazione continua in controcorrente. Senza danneggiare gli SWCNT, controlla il contenuto di ceneri entro il 2%, ottenendo una purezza leader del settore-e riducendo in modo significativo i successivi costi di elaborazione dei clienti a valle.
Promozione della separazione su larga-scala degli SWCNT semiconduttori: Although absolutely high-purity (99.99%) semiconducting SWCNTs remain a research-grade material, Shandong Tanfeng can already stably provide enriched semiconducting SWCNTs (semiconducting proportion >95%) a prezzi pari solo al 50% dei prodotti importati, offrendo un'alternativa domestica altamente-efficace in termini di costi per l'applicazione commerciale di sensori flessibili e rivestimenti anti-statici di fascia alta.
Il "prezzo elevatissimo"-dei nanotubi di carbonio a parete singola-di alta-qualità è il risultato della combinazione di quattro fattori: processi di preparazione-a livello atomico, sfide di separazione-di livello mondiale, struttura di mercato oligopolistica e premi di prestazione massimi. Poiché le imprese nazionali - comprese le forze cinesi come Shandong Tanfeng New Material - continuano a promuovere la localizzazione dei nanotubi di carbonio a parete singola-, si prevede che il prezzo dei nanotubi di carbonio di alta-qualità diminuirà gradualmente in futuro. Per le aziende con esigenze applicative di fascia alta, ora è il momento migliore per introdurre nanotubi di carbonio di alta qualità prodotti a livello nazionale per aggiornamenti della formulazione e riduzione dei costi con miglioramento dell'efficienza.