2020年中國(guó)碳納米管產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析及投資戰(zhàn)略可行性咨詢

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碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，碳納米管的分子結(jié)構(gòu)決定了它具有一些獨(dú)特的性質(zhì)，由于巨大的長(zhǎng)徑比（徑向尺寸在納米量級(jí)，軸向尺寸在微米量級(jí)）碳納米管表現(xiàn)為典型的一維量子材料。

物理化學(xué)性質(zhì)：

（1）力學(xué)性質(zhì)：由于碳納米管中碳原子采取SP2?雜化，相比SP3?雜化，SP2?雜化中S?軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強(qiáng)度。碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100?倍，重量卻只有后者的1/6?到1/7。碳納米管因而被稱“超級(jí)纖維”。莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳

納米管置于1011?Pa?的水壓下，由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。此外，碳納米管的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。

（2）電學(xué)性質(zhì)：由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs?的管徑大于6mm?時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6mm?時(shí)，CNTs?可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。

（3）導(dǎo)熱性質(zhì)：碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs?具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。

（4）抗輻射性質(zhì)：2012年9月美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)由單壁碳納米管制作的晶體管（SWCNT）具有在苛刻太空環(huán)境中生存的能力。新的研究顯示由碳納米管制作的晶體管具有極強(qiáng)的抗電離輻射能力，在有電離輻射的情況下其工作性能幾乎不變。以SWCNT?為基礎(chǔ)的晶體管所具有的抗暫態(tài)效應(yīng)和累積效應(yīng)能力讓其有潛力在未來(lái)幫助太空電子設(shè)備減少冗余和差錯(cuò)糾正電路，同時(shí)保持電子設(shè)備的高保真質(zhì)量。

產(chǎn)業(yè)鏈分析：碳納米管產(chǎn)品成本構(gòu)成，原材料占60%-70%，人工占約5%，制造費(fèi)用占約25%-30%。其中原材料成本中NMP溶劑又占原材料成本的50%-70%。目前碳納米管產(chǎn)業(yè)鏈主要包括上游原材料、中游碳納米管、下游各細(xì)分領(lǐng)域應(yīng)用。

（1）上游：制造碳納米管的原料有很多種，其包括但不限于甲烷、一氧化碳、合成氣（H2，CO）、乙炔、丙烯、苯、甲苯、正己烷、炭黑、石墨、石蠟、二甲硫醚、乙醇、無(wú)煙煤等等，其中采用不同的原料所制得碳納米管的量、形貌和性能是各不相同的。

碳納米管制備過(guò)程必須輔以催化劑催化，否則所得產(chǎn)物只是無(wú)定型碳。只有加入催化劑后生成物中才含有大量的單、多壁碳納米管。因此催化劑是碳納米管制備必不可少的。目前常用的催化劑主要包括金屬單質(zhì)和化合物，如Fe、Co、Ni、Mo、三氧化二鐵、鈣鈦礦氧化物、草酸鐵等等。

（2）中游：目前常用的碳納米管制備方法有石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法、催化裂解法和激光燒蝕法，工業(yè)化生產(chǎn)常用的方法是石墨電弧法和化學(xué)氣相沉積法。

①石墨電弧法：在真空室中充入一定量的惰性氣體，用填充有鐵或鈷作為催化劑的較細(xì)的石墨棒作為陽(yáng)極，而較粗的石墨棒作為陰極。通過(guò)石墨電弧法進(jìn)行反應(yīng)，在容器內(nèi)壁上得到富含單壁碳納米管的碳灰,經(jīng)提純，可以得到單壁碳納米管。

②化學(xué)氣相沉積法：在1100～1200℃的溫度范圍內(nèi)，以二茂鐵為催化劑，通過(guò)其引入量來(lái)控制催化劑顆粒的大小和碳?xì)浔?，以苯為碳源，添加適量的噻吩可以制得碳納米管。

③激光燒蝕法：在1200℃的電阻爐中，通過(guò)激光蒸發(fā)過(guò)渡金屬與石墨的復(fù)合材料棒，用流動(dòng)的氬氣使產(chǎn)物沉積到水冷銅柱上，得到多壁碳納米管。

④催化裂解法：在600～1000℃的溫度及催化劑作用下，使含碳化合物裂解為碳原子，然后在過(guò)渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。

（3）下游：碳納米管下游應(yīng)用廣泛，具體涉及到工程材料領(lǐng)域的金屬、陶瓷和有機(jī)材料以及軍用裝備的超強(qiáng)纖維；納米材料領(lǐng)域可以作為超耐高電流密度的納米導(dǎo)線；電子器件領(lǐng)域主要用于新型電子探針、場(chǎng)致發(fā)射材料、功能傳感器；儲(chǔ)能領(lǐng)域包括鋰電池導(dǎo)電劑、儲(chǔ)氫材料、超級(jí)容電器的應(yīng)用；催化領(lǐng)域的石化和化工產(chǎn)業(yè)變革；機(jī)械領(lǐng)域的汽車或火車減震裝置等等。其主要細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋?/span>

（1）在導(dǎo)電劑領(lǐng)域應(yīng)用：目前常用的鋰離子電池導(dǎo)電劑有炭黑、導(dǎo)電石墨、碳納米管、石墨烯等，其中以Super-P-Li、科琴黑、乙炔黑為代表的炭黑為顆粒狀導(dǎo)電劑，其與活性材料之間形成的是點(diǎn)接觸，而碳納米管與活性材料形成的是線接觸，能進(jìn)一步提升其導(dǎo)電性能，同時(shí)碳納米管良好的導(dǎo)熱性還有利于電池充放電時(shí)的散熱，減少電池的極化，提高電池的高低溫性能，延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命，因此，未來(lái)碳納米管將逐漸替代常規(guī)炭黑類導(dǎo)電劑，其在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用將逐漸增多。

①碳納米管導(dǎo)電漿料市場(chǎng)分析：2014年之前，中國(guó)新能源汽車市場(chǎng)仍處于起步階段，炭黑類導(dǎo)電劑占據(jù)大部分鋰電池導(dǎo)電劑市場(chǎng)。2014年以后，動(dòng)力電池受新能源汽車市場(chǎng)需求帶動(dòng)，產(chǎn)銷量大幅增長(zhǎng)，碳納米管導(dǎo)電劑能明顯提升磷酸鐵鋰體系和三元體系動(dòng)力電池能量密度，應(yīng)用逐漸增多。預(yù)計(jì)到2020年，中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料產(chǎn)值將達(dá)到28.62億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到35%。主要原因有三：

②碳納米管在超級(jí)電容器領(lǐng)域應(yīng)用：碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開(kāi)放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達(dá)8000W/kg。

超級(jí)電容器對(duì)比主流蓄電池具有充放電次數(shù)長(zhǎng)，充電時(shí)間極快，無(wú)任何記憶效應(yīng)，安全等優(yōu)點(diǎn)，碳納米管的加入，可以大幅度提升常規(guī)超級(jí)電容器的性能。

③碳納米管與導(dǎo)電聚合物復(fù)合制作電極材料：將導(dǎo)電聚合物包覆于碳納米管上，使二者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，復(fù)合電極材料具有優(yōu)于導(dǎo)電聚合物的導(dǎo)電性和循環(huán)性能，而比容量也較碳納米管有了大幅提高。

④碳納米管產(chǎn)業(yè)化問(wèn)題：世界范圍來(lái)看，世界各國(guó)碳納米管產(chǎn)業(yè)化主要面臨以下兩方面問(wèn)題。首先，碳納米管制備現(xiàn)狀大致是：多壁碳納米管能較大量生產(chǎn)，單壁碳納米管多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，某些制備方法得到的碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理還不明確，對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)(管徑、管長(zhǎng)、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的結(jié)晶度等)還不能做到任意調(diào)節(jié)和控制，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)量及產(chǎn)率的因素太多(如催化劑顆粒的大小、碳源的種類、溫度、混合氣體的種類及比例等)，使制得的碳納米管都存在雜質(zhì)高、產(chǎn)率低等缺點(diǎn)，還沒(méi)有高效的純化碳納米管的方法。

其次是如何更深入研究碳納米管實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。例如，在常溫常壓下如何解析氫氣及加快其儲(chǔ)氫放氫速度。如何提高碳納米管吸附容量的穩(wěn)定性和吸附壓力的敏感性。再如，怎樣才能制備出性能更為優(yōu)異或能預(yù)期其性能的碳納米管復(fù)合材料。要解決這些共同難題，就需要一方面突破技術(shù)關(guān)鍵，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)新的、成本低廉、適合于大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管的技術(shù)，通過(guò)建模和模擬來(lái)加強(qiáng)生長(zhǎng)現(xiàn)象與機(jī)理研究；另一方面繼續(xù)深入研究其應(yīng)用，把碳納米管與各個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮其自身優(yōu)異的特性。

企業(yè)現(xiàn)狀：從近兩年碳納米管導(dǎo)電漿料銷售額和出貨量來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)能夠量產(chǎn)碳納米管的企業(yè)主要是天奈科技、三順納米、青島昊鑫、集越納米。據(jù)中金企信國(guó)際咨詢公布的《2020-2026年中國(guó)碳納米管市場(chǎng)研究及投資建議預(yù)測(cè)報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2018年中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料銷售額約9.54億元，同比增長(zhǎng)15.4%。2018年天奈科技、三順納米、青島昊鑫、集越納米四家企業(yè)碳納米管導(dǎo)電漿料銷售額7.89億元，占比82.7%，其中天奈科技銷售額3.25億元，占比34.1%居首位。2018年中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料出貨量約2.61萬(wàn)噸，四家企業(yè)碳納米管導(dǎo)電漿料出貨量約2.13萬(wàn)噸，占比81.5%，其中天奈科技出貨量7891.31噸，占比30.2%居首位。

2018年中國(guó)碳納米管導(dǎo)電漿料不同企業(yè)銷售額比重分析

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數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：中金企信國(guó)際咨詢

市場(chǎng)現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)：相對(duì)于碳黑和活性物質(zhì)之間的“點(diǎn)-點(diǎn)”接觸，碳納米管具有更高的導(dǎo)電效率，能夠在更少使用量下就達(dá)到整個(gè)電極的導(dǎo)電閾值，使活性材料表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能，并提高電池的能量密度。因此碳納米管產(chǎn)品憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性，正作為新型導(dǎo)電劑逐步應(yīng)用于鋰電池領(lǐng)域，用以提升鋰電池導(dǎo)電性能、循環(huán)壽命和能量密度。

未來(lái)四年，全球碳納米管導(dǎo)電漿料需求量有望保持40.8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，至2023年其需求量將達(dá)到19.06萬(wàn)噸；對(duì)應(yīng)產(chǎn)值為55.4億元，其中動(dòng)力貢獻(xiàn)為47.9億元，占比為86.5%。未來(lái)全球碳納米管導(dǎo)電漿料增長(zhǎng)主要來(lái)自以下幾個(gè)方面：第一，中國(guó)三元?jiǎng)恿﹄姵厥袌?chǎng)對(duì)碳納米管導(dǎo)電漿料需求保持高速增長(zhǎng)；第二，三星SDI、松下等日韓企業(yè)加速在動(dòng)力鋰電池領(lǐng)域?qū)胩技{米管導(dǎo)電漿料；第三，硅基負(fù)極市場(chǎng)逐漸放量，對(duì)碳納米管導(dǎo)電漿料需求提升。

當(dāng)前我國(guó)碳納米管市場(chǎng)規(guī)模較小，2018年產(chǎn)值僅約為11億元。但未來(lái)隨著進(jìn)口替及新能源車增長(zhǎng)拉動(dòng)行業(yè)有望快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2023年中國(guó)碳納米管市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到約40億元。自2014年以來(lái)碳納米管逐年保持增長(zhǎng)，2018年碳納米管在動(dòng)力鋰電池中的滲透率為31.8%，。預(yù)計(jì)至2023年，滲透率有望進(jìn)一步快速提升至82.2%。