Много служители в отдела за научноизследователска и развойна дейност за материали са изненадани, когато видят офертата за едно-стенни или полупроводникови въглеродни нанотръби, докато искат проби от веригата за доставки. И двете са черни прахове, така че защо много{2}}стенните въглеродни нанотръби струват само няколко десетки RMB на килограм, докато високо{3}}качествените едно-полупроводникови въглеродни нанотръби могат да струват няколко хиляди или дори десетки хиляди RMB на грам? Защо високо{5}}качествените въглеродни нанотръби (едно-стенни/полупроводникови) са толкова скъпи?
1. Едностенни-срещу много{3}}стенни: едни и същи въглеродни нанотръби, сто-пъти разлика в цената
Цената на едно-стенните въглеродни нанотръби (SWCNTs) обикновено е повече от 100 пъти по-висока от тази на много-стенните въглеродни нанотръби (MWCNTs). Обикновените много{4}}стенни тръби струват 60 000-500 000 RMB/тон, докато едностенните тръби могат да достигнат от 6 до 20 милиона RMB/тон.
какво значи това Един килограм високо{0}}качествен прах от въглеродни нанотръби с едно-стенни стени се продава за 6000-20 000 RMB -, приблизително еквивалентно на цената на семеен автомобил от среден клас. Нищо чудно, че се нарича "черно злато" в света на материалите.
| Сравнително измерение | Много{0}}стенни въглеродни нанотръби (MWCNT) | Едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT) |
|---|---|---|
| Диаметър на тръбата | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Продажна цена | 100 000-200 000 RMB/тон | 6 000 000-20 000 000 RMB/тон |
| Проводима ефективност | Изисква добавка от 0,5%+ | Само 0,03% могат да постигнат значителни резултати |
| Позициониране на приложението | Индустриален работен кон, приоритет-разходна ефективност | Кралят на наноматериалите, върховна производителност |
2. Откъде идват разходите? Три връзки „Money-Burning“.
Високата -цена на въглеродните нанотръби с една-стена идва от тройното наслагване на „трудна подготовка, трудно отделяне и нисък производствен капацитет“. Всяка връзка изисква изключително високи технически и технически инвестиции.
2.1 Подготовка: Атомно-ниво „Прецизен контрол“
Ефективността на въглеродните нанотръби зависи от тяхната хиралност (ъгъл на въртене) и диаметър. Диаметърът на едно-стенните въглеродни нанотръби е само 1-2 нанометра. Отглеждането на такива тънки тръби върху катализатори изисква изключително висок контрол върху температурата, скоростта на потока на въглеродния източник и съотношението на катализатора.
Въпреки че настоящият CVD метод (химическо отлагане на пари) може да се използва за промишлено производство, синтезираният продукт неизбежно съдържа смес от метални и полупроводникови въглеродни нанотръби. С други думи, процесът на растеж не дискриминира - и двата вида растат заедно и е невъзможно да „произведете само вида, който искате“.
От гледна точка на структурата на разходите разходите за суровини представляват 40-60% от общите производствени разходи за въглеродни нанотръби. Едностенните-тръби имат по-строги изисквания за чистотата на въглеродния източник и катализаторите, като разходите за суровини далеч надвишават тези на многостенните тръби.
2.2 Разделяне и пречистване: Бране на „златни зърна“ от „смесен съд“
Това е връзката, която допринася най-много за „превъзходството“ на едно-стенните въглеродни нанотръби. За производството на електронни устройства като транзистори трябва да се използват полупроводникови едностенни въглеродни нанотръби - металните тръби биха унищожили характеристиките на превключване на транзисторите.
Но проблемът е, че ефективното отделяне на полупроводникови и метални въглеродни нанотръби от смеси остава предизвикателство от световна класа-. Общите методи включват центрофугиране с градиент на плътност, електрофоретично разделяне и селективна функционализация. Тези методи са или тромави с нисък добив, или изключително скъпи и трудни за мащабиране.
Национален -проект за отпечатани TFT въглеродни нанотръби показва, че след сложни процеси на пречистване могат да бъдат получени полупроводникови въглеродни нанотръби с чистота над 99,997% -, но постигането на това ниво на чистота идва с изключително висока цена по отношение на сложност на процеса и инвестиция във време.
2.3 Пазарен пейзаж: Няколко играчи монополизират предлагането
Недостигът повишава цената. Понастоящем само OCSiAl държи приблизително 90% от глобалния пазарен дял на едностенни-въглеродни нанотръби, със съществуващ производствен капацитет от около 100 тона. На вътрешния пазар Tianneng Technology напредва в изграждането на 150 тона производствен капацитет.
От страна на търсенето, глобалният пазар на въглеродни нанотръби с една стена-се разраства бързо при общ годишен темп на растеж от 49,5%. Дисбалансът на предлагането-на търсенето допълнително поддържа високата цена.
3. Защо е "скъпо", но все пак ценно? Производителността е долната линия
Свръх{0}}високата цена на едно-стенните въглеродни нанотръби се поддържа от тяхната много по-добра проводима ефективност, механични свойства и топлопроводимост в сравнение с много-стенните тръби.
Дали цената е висока или не зависи от „разходната{0}}ефективност“. Колко способни са едно-стенните въглеродни нанотръби?
| Индикатор за ефективност | Едностенни въглеродни нанотръби (SWCNT) | Много{0}}стенни въглеродни нанотръби (MWCNT) |
|---|---|---|
| Модул на еластичност | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Якост на опън | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Топлопроводимост | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Минимално количество проводяща добавка | 0.01% | 0.5% |
Да вземем за пример приложения на литиеви батерии: В LFP катодите много{0}}стенните въглеродни нанотръби изискват добавка от 0,9%, за да се постигне обемно съпротивление от 13,80 Ω·cm. Едно-стенните въглеродни нанотръби изискват само 0,03% (1/30 от MWCNT), за да постигнат по-ниско съпротивление от 4,77 Ω·cm.
Празнината е още по-изразена в силициевите анодни системи: MWCNTs изискват 3% добавяне за съпротивление от 0,78 Ω·cm; SWCNT изискват само 0,3% (1/10), намалявайки съпротивлението до 0,75 Ω·cm.
Това означава: въпреки че единичната цена на SWCNT е висока, използваното количество е изключително ниско. При съставите на батерии от висок{1}} клас общите разходи може да не са непременно по-високи от използването на MWCNT.
4. Нов материал Shandong Tanfeng: Изследване на локализирането на високо-качествени SWCNTs
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. активно насърчава локализирането на високо-качествени въглеродни нанотръби. Неговите продукти от серията TF обхващат едно-стенни/много-стенни въглеродни нанотръби с чистота, по-голяма или равна на 98%, представляващи значителна сила в разрушаването на „монопола на високите-цени“.
Основната причина за високата цена е техническата бариера. Разрушаването на монопола изисква местно заместване - точно това, което прави Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Shandong Tanfeng New Material, благодарение на своята-разработена самостоятелно-високо{1}}ефективна каталитична система против-синтероване и непрекъснати процеси на пречистване, значително подобри добива на едно-стенни въглеродни нанотръби и намали остатъците от примеси. Това е мощен производител на източници, който води до намаляване на разходите за-карбонови тръби от висок клас. Като местен производител на източници, дълбоко вкоренен в въглерод-базирани материали, той преодолява тази ценова бариера от следните три измерения:
Пробив в технологията против-синтероване на катализатор:Новият материал на Tanfeng използва специален поддържан катализатор, който ефективно инхибира високо{0}}температурното синтероване по време на растеж на едно-стенни въглеродни нанотръби, удължавайки живота на катализатора с повече от 3 пъти и увеличавайки макроскопичния растеж на SWCNTs до над 20%, намалявайки материалните разходи при източника.
Непрекъснато пречистване и процес на отстраняване на примеси:Насочвайки се към големите количества аморфен въглерод и метални остатъци в суровите SWCNT продукти, Shandong Tanfeng изостави неефективното периодично промиване с киселина и разработи оборудване за непрекъснато противоточно пречистване. Без да уврежда SWCNT, той контролира съдържанието на пепел в рамките на 2%, постигайки-водеща в индустрията чистота и значително намалявайки последващите разходи за обработка на клиентите надолу по веригата.
Насърчаване на -мащабно разделяне на полупроводникови SWCNTs: 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%) на цени само на 50% от вносните продукти, предлагайки високо-рентабилна местна алтернатива за търговско приложение на гъвкави сензори и висок{3}}клас анти-статични покрития.
„Небесно{0}}високата цена“ на високо-качествените едностенни-въглеродни нанотръби е резултат от комбинация от четири фактора: процеси на-преготвяне на атомно ниво, предизвикателства за разделяне-от световна класа, олигополна пазарна структура и премии за крайна производителност. Тъй като местните предприятия - включително китайските сили като Shandong Tanfeng New Material - продължават да напредват в локализирането на едно-стенни въглеродни нанотръби, цената на високо-качествените въглеродни нанотръби се очаква постепенно да спадне в бъдеще. За предприятия с високи{11}}нужди от приложения, сега е най-добрият момент да въведат местно произведени висококачествени-въглеродни нанотръби за надграждане на формулата и намаляване на разходите с подобряване на ефективността.