新型导电剂的赛道,碳纳米管为什么跑在了石墨烯前头?

但是在实际应用研究中发现,较大尺寸石墨烯作为导电剂会形成锂离子位阻效应,锂离子很难穿过由碳原子连接组成的石墨烯六元环,因此较大尺寸的石墨烯会加长锂离子传输路径,降低锂离子传输效率。

我们从两种材料的研究历史、性能特点、标准进展以及下游市场四个方面做一些梳理,并基于以上客观内容,尝试给出一些主观判断。

石墨烯发现时,碳纳米管已经问世十余年。

2004年10月,英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用普通胶带完成了他们的“魔术”,标志着石墨烯材料的正式问世。

而碳纳米管发展至今,已经走过30多年的历程。

主要的里程碑事件如下:

新型导电剂的赛道,碳纳米管为什么跑在了石墨烯前头?

碳纳米管研究里程碑  来源:《见微知著,碳材料产业发展蓝皮书(2020)》

综合上述内容可发现,石墨烯发现之前,科研界对碳纳米管的物理结构和电磁热化学特性已经做了充分研究,并且已经可以制备出各种碳纳米管宏观体。继2000年法国科学家首次制备出碳纳米管纤维后,2002年,清华大学吴德海教授团队已经可以制备出20厘米长的碳纳米管束。时至今日,碳纳米管在科研界的研究热度依然不输石墨烯。

石墨烯作为导电剂,对锂离子存在位阻效应。

锂电池导电剂理论研究认为,导电炭黑为“点-点”接触模型、碳纳米管为“线-点”接触模型,而石墨烯为“面-点”接触模型,该模型可以使活性物质颗粒在集流体上构筑“长程”导电网络,所谓“长程”导电网络,即导电通路更好的连接结构,对离子和电子的传输有增益。

但是在实际应用研究中发现,较大尺寸石墨烯作为导电剂会形成锂离子位阻效应,锂离子很难穿过由碳原子连接组成的石墨烯六元环,因此较大尺寸的石墨烯会加长锂离子传输路径,降低锂离子传输效率。

新型导电剂的赛道,碳纳米管为什么跑在了石墨烯前头?

导电剂不同类型和优缺点  来源:天奈科技招股书

那么,多大尺寸的石墨烯作为导电剂比较适合呢?一般会将正极材料的尺寸作为类比,一般认为石墨烯片径小于20μm时,锂离子的位阻效应可忽略。因此石墨烯作为导电剂存在位阻效应,一定程度上限制了其应用。

石墨烯应用标准进展缓慢,导电浆料仅有团体标准。

与碳纳米管相比,石墨烯的行业标准目前还主要集中在材料本身的定义、分类和表征等方面,石墨烯导电浆料、石墨烯导热膜等应用方向仅有团体标准。

碳纳米管方面,碳纳米管导电浆料国家标准(GB/T 33818-2017)2017年正式发布并实施,天奈科技作为该标准的牵头单位,还牵头制定了碳纳米管导电浆料国际标准(ISO/TS 19808),2019年天奈科技在科创板上市,至今仍保持碳纳米管导电剂全球领跑地位。

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石墨烯行业相关国家标准  来源:《碳材料产业发展蓝皮书(2023)》

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碳纳米管行业相关国家和国际标准  来源:《碳材料产业发展蓝皮书(2023)》

石墨烯导电剂仅适用于磷酸铁锂体系,且需要与碳纳米管复配。

应用端方面,随着消费者对汽车尤其是乘用车的高续航里程、轻量化需求逐步提升,同时新版补贴额度与能量密度挂钩,三元动力锂电池才是动力锂电池的发展趋势,但三元锂电池却不是石墨烯导电剂适用的领域。

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中国动力锂电池导电剂渗透率情况。来源:高工锂电

虽然石墨烯导电剂也具有导电性优异的特点,但适用范围较碳纳米管存在局限性,行业常用的方案是石墨烯和碳纳米管复配应用于磷酸铁锂电池。

比较常见的复配方案包括3:2的“碳纳米管+石墨烯”、67:30:3的“SP+碳纳米管+石墨烯”等,由此可见,无论是三元电池还是磷酸铁锂电池的性能提升,都离不开碳纳米管掺杂的新型导电剂。

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全球新能源汽车市场和碳纳米管导电剂行业需求。来源:华西证券

从新能源汽车角度看,中长期磷酸铁锂与三元材料并行发展路线较为明确,但是磷酸铁锂天然导电性差于三元,因此对于碳纳米管导电剂需求会趋强。

从锂电材料技术迭代角度看,高镍正极材料以及硅基负极材料将成为动力电池发展的主要方向之一, 碳纳米管导电剂可以改善二者较差的导电性能,因此长期看碳纳米管导电剂将逐步成为刚需。

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天奈科技近期项目情况。来源:天奈科技公告

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