رسانایی الکتریکی و حرارتی نانولوله های کربنی چقدر خوب است؟

رسانایی الکتریکی و حرارتی نانولوله های کربنی چقدر خوب است؟ تجزیه و تحلیل عملکرد واقعی بر اساس داده ها

در علم مواد، مواد کمی مانند نانولوله های کربنی برای دهه ها محققان را مجذوب خود کرده است. این ساختارهای لوله‌ای، که تماماً از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند و فقط یک ده{1}}هزارم قطر موی انسان دارند، تقریباً تمام انتظارات را برای ابرموادهای نسل بعدی دربرمی‌گیرند. در طول مکالمه با مشتریان، همیشه یک سوال مطرح می شود: رسانایی الکتریکی و حرارتی نانولوله های کربنی چقدر خوب است؟ امروز با داده ها و حقایق به این سوال پاسخ خواهیم داد.

1. رسانایی الکتریکی: الکترون‌ها در یک «ابر بزرگراه» در حال حرکت هستند

برای درک عملکرد الکتریکی CNT ها، ابتدا باید ساختار آنها را درک کرد. پیوند اتم‌های کربن از طریق هیبریداسیون sp²-در میان قوی‌ترین پیوندهای شیمیایی شناخته شده است. در این پیکربندی، الکترون ها می توانند به سرعت در امتداد دیواره لوله بدون انسداد حرکت کنند، پدیده ای که به عنوان انتقال الکترون بالستیک شناخته می شود.

1.1 اعداد قابل توجه: ده هزار برابر مس

هم نتایج نظری و هم نتایج تجربی قابل توجه هستند: CNT ها در جهت های خاص می توانند رسانایی الکتریکی را نشان دهند.ده هزار بار بالاتر از مس. در دمای اتاق، هدایت الکتریکی SWCNT ها می تواند به 10³ S/cm برسد. این به چه معناست؟ اگر سیم‌های معمولی مانند جاده‌های روستایی پر دست‌اندازی هستند که الکترون‌ها در آن تلاش می‌کنند تا حرکت کنند، CNT‌ها مانند بزرگراه‌های هشت‌{3}}خطی هستند که اجازه می‌دهند الکترون بدون مانع جریان داشته باشد.

فراتحلیلی که در دانشگاه کمبریج انجام شد، 1304 نقطه داده را از 266 مقاله بررسی شده{4} بررسی کرد. یافته‌ها نشان داد که نانولوله‌های کربنی چند دیواره دوپ شده و تراز شده (FWCNT) بهترین-رده عملکرد را نشان می‌دهند، با الیاف اسیدی-که هدایت الکتریکی فوق‌العاده‌ای را نشان می‌دهند. اگرچه رسانایی الکتریکی مجموعه‌های CNT ماکروسکوپی هنوز به طور کامل با مس مطابقت ندارد (در حال حاضر تقریباً یک ششم مس)، با توجه به اینکه نانولوله‌های کربنی تنها کسری از چگالی فولاد دارند، رسانایی خاص آنها (رسانایی{11}}به نسبت چگالی از قبل نشان می‌دهد.

1.2 چرا CNT ها بسیار رسانا هستند؟

توضیح در مکانیک کوانتومی نهفته است. در هادی‌های معمولی، الکترون‌ها در حین حرکت پیوسته با هم برخورد می‌کنند و مقاومت ایجاد می‌کنند. در CNT ها، به دلیل ابعاد بسیار کوچک و ساختار کامل، الکترون ها می توانند به صورت "بالستیکی" بدون تولید گرما حرکت کنند. هیبریداسیون sp² پیوندهای C-C به الکترون های روی سطح CNT اجازه می دهد تا با سرعتی نزدیک به 1/300 سرعت نور حرکت کنند و تحرک الکترون ها به 20000 سانتی متر مربع/(V·s) می رسد.

علاوه بر این، بسته به کایرالیته آنها، CNT ها می توانند رفتار فلزی یا نیمه هادی از خود نشان دهند. این ویژگی قابل تنظیم، امکانات گسترده ای را برای کاربرد آنها در دستگاه های الکترونیکی باز می کند. در سال 2013، دانشگاه استنفورد با موفقیت یک نمونه اولیه واحد پردازش مرکزی ساخته شده به طور کامل از CNT ها را توسعه داد. اگرچه فرکانس کاری آن در آن زمان تنها 1 کیلوهرتز بود، اما امکان سنجی این رویکرد را ثابت کرد.

2. هدایت حرارتی: پیشی گرفتن از الماس

اگر هدایت الکتریکی CNT ها را برای الکترونیک بسیار جذاب کرده است، عملکرد حرارتی آنها کارشناسان مدیریت حرارتی را هیجان زده کرده است.

2.1 حد تئوریک: 5800 W/(m·K)

پیش‌بینی‌های نظری نشان می‌دهد که CNT‌ها احتمالاً دارای رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به الماس هستند و به طور بالقوه آنها را به رسانایی‌ترین ماده در جهان تبدیل می‌کند. اعداد مشخص چیست؟ SWCNT ها می توانند به رسانایی حرارتی دست یابند5800 W/(m·K)، در حالی که MWCNT ها به حدود 3000 W/(m·K) می رسند. برای مقایسه، الماس-بهترین رسانای حرارتی طبیعی- دارای رسانایی حرارتی تقریباً 2200 W/(m·K) است. به عبارت دیگر، CNT ها می توانند گرما را بیش از سه برابر بهتر از الماس هدایت کنند.

2.2 از تئوری تا عمل

البته، اندازه گیری هدایت حرارتی یک CNT منفرد بسیار چالش برانگیز است. اندازه‌گیری‌های اولیه روی MWCNT‌های منفرد، مقادیری در حدود 3000 W/(m·K)، مطابق با پیش‌بینی‌های نظری به همراه داشت.

نکته مهمی که باید روشن شود این است که وقتی CNT ها در مواد ماکروسکوپی مانند فیلم ها یا الیاف مونتاژ می شوند، هدایت حرارتی کلی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. دلیل آن ساده است: تماس‌های لوله-به-لوله و حفره‌های درون ماده مانع از جریان گرما می‌شود. به عنوان مثال، هنگامی که SWCNT ها در یک صفحه حجیم فشرده می شوند، هدایت حرارتی دمای اتاق اندازه گیری شده تنها حدود 35 W/(m·K) است. این بدان معنا نیست که CNT ها خود عملکرد ضعیفی دارند. بلکه نشان می‌دهد که انتقال خواص استثنایی نانومقیاس به مجموعه‌های ماکروسکوپی یک چالش کلیدی برای تجاری‌سازی است.

2.3 مکانیسم هدایت حرارتی: نقش فونون ها

هدایت حرارتی در CNT ها عمدتاً توسط فونون ها کنترل می شود. تحقیقات نشان می دهد که میانگین مسیر آزاد فونون ها در CNT ها تقریباً 0.5-1.5 میکرومتر است. ساختار sp² حمل و نقل فونون را تسهیل می کند و CNT ها را با خواص حرارتی برجسته خود اعطا می کند. این قابلیت اتلاف حرارت کارآمد کاربردهای عملی پیدا کرده است. محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST) حتی یک پوشش مبتنی بر MWCNT{8}} ایجاد کرده‌اند که اشتعال‌پذیری فوم پلی‌اورتان را تا 35 درصد کاهش می‌دهد، به لطف اتلاف سریع گرمای CNT‌ها و تشکیل یک لایه زغال محافظ تحت گرمای شدید.

3. این ویژگی ها در عمل چه کاری می توانند انجام دهند؟

داده های نظری چشمگیر باید در نهایت به کاربردهای عملی تبدیل شوند. استفاده از نانولوله‌های کربنی به عنوان افزودنی‌های رسانا در باتری‌های لیتیومی-یک نمونه ثابت-است.

3.1 شبکه رسانا در باتری‌های لیتیوم{1}}

در مواد کاتد باتری لیتیوم{0} یون، بارگیری CNT تقریباً 1.5٪ می تواند همان اثر 3٪ کربن سیاه معمولی را به دست آورد. مهمتر از آن، CNT ها ایجاد یکشبکه رسانای سه بعدی-. CNTهای یک بعدی، همراه با ذرات فعال، یک شبکه سه بعدی را تشکیل می دهند که به طور موثر انتقال الکترون را بین ماده فعال و جمع کننده جریان افزایش می دهد. به عنوان مثال، با مواد اکسید لیتیوم منگنز (LiMn2O4)، افزودن MWCNT ها منجر به حفظ ظرفیت 99٪ پس از 20 چرخه، در مقایسه با 90٪ برای ماده خالص شد.

عملکرد در سیستم های اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2) به همان اندازه چشمگیر است. با نرخ 2C، سلول‌های LiCoO2/MWCNT حداقل ظرفیت محو می‌شوند، در حالی که سلول‌های حاوی کربن سیاه یا فیبرهای کربنی پس از 20 چرخه به ترتیب 10% و 30% کاهش ظرفیت را نشان می‌دهند. دلیل آن ساده است: شبکه رسانای تشکیل شده توسط CNT ها انتقال بار را تسهیل می کند و امپدانس را کاهش می دهد.

3.2 فراتر از باتری‌های لیتیوم-

فراتر از باتری ها، CNT ها در بسیاری از زمینه های دیگر نفوذ می کنند:

هوافضا: یک فیلم CNT ساخته شده در MIT می تواند مواد کامپوزیت را گرم و درمان کند و تنها 1٪ از انرژی مورد نیاز اتوکلاوهای سنتی را مصرف می کند و در عین حال اجزایی با استحکام مشابه تولید می کند.

الکترونیک: ترانزیستورهای مبتنی بر{0}CNT کوچکتر و رساناتر هستند و پتانسیل موفقیت در سیلیکون را دارند.

ذخیره سازی انرژی و مدیریت حرارتی: کاربردهای جدید در ابرخازن ها، مواد رابط حرارتی و سایر حوزه ها به سرعت در حال ظهور هستند.

4. شاندونگ تانفنگ در فرآیند تجاری سازی

پس از بحث در مورد داده‌های نظری و{0}}کاربردهای پیشرفته، اجازه دهید به واقعیت‌های عملی بازگردیم. مهم نیست که یک ماده چقدر عالی باشد، اگر نتوان آن را در مقیاس تولید کرد یا به طور قابل اعتماد عرضه کرد، برای صنعت یک توهم باقی می ماند.

شرکت فناوری مواد جدید شاندونگ تانفنگ، با مسئولیت محدود.شرکت کننده مهمی در فرآیند تجاری سازی CNT داخلی است. مجموعه محصولات شاندونگ تانفنگ به‌عنوان یک شرکت{1}}تکنولوژی محور که به تحقیق و توسعه، تولید و فروش CNT‌ها اختصاص دارد، شامل پودر MWCNT، پودر SWCNT، خمیر رسانای CNT، مستربچ رسانای CNT و مواد آند کربن سیلیکون-می‌شود.

این شرکت دارای بیش از ده حق ثبت اختراع فعال مربوط به CNT ها، مواد آند کربن سیلیکونی-و تولید تجهیزات هوشمند است. این فناوری‌های ثبت شده، قابلیت اطمینان فنی را از توسعه آزمایشگاهی تا تولید انبوه تضمین می‌کنند. در حال حاضر، محصولات شاندونگ تانفنگ به طور گسترده در هفت بخش عمده استفاده می شود: وسایل نقلیه انرژی جدید، کامپوزیت های پلیمری پیشرفته، الاستومرها، هوافضا، حمل و نقل ریلی، تولید برق بادی و ذخیره انرژی هیدروژن.

برای پودرهای CNT، شاندونگ تانفنگ گریدهای متعددی از جمله TF-210، TF-300، TF-400، و TF-500 را با خلوص بیشتر یا مساوی 99 درصد و طول‌های 5 تا 15 میکرومتر توسعه داده است که نیازهای فرآیندی مشتریان مختلف را برآورده می‌کند. چه کسی به MWCNT با نسبت تصویر بالا نیاز داشته باشد یا SWCNT برای عملکرد نهایی، راه حل های مناسبی در دسترس است.

بر خلاف تامین کنندگانی که فقط پودر ارائه می دهند، شاندونگ تانفنگ خمیرهای رسانای CNT را نیز ارائه می دهد و به مشتریان پایین دستی کمک می کند تا از کاوش فرآیندی که معمولاً برای پراکندگی مورد نیاز است اجتناب کنند. این امر به ویژه برای تولید کنندگان باتری لیتیوم{1} یونی ارزشمند است، زیرا پراکندگی یکنواخت CNT ها در دوغاب ها همچنان یک چالش فنی شناخته شده در صنعت است. Shandong Tanfeng با استفاده از فناوری پراکندگی توسعه‌یافته داخلی خود، کیفیت دسته‌ای ثابت را تضمین می‌کند و به مشتریان این امکان را می‌دهد که واقعاً "از کیسه استفاده کنند."

5. دیدگاه واقع بینانه: بین عملکرد و واقعیت

به عنوان دانشمندان و مهندسان مواد، ما باید هم به ستاره ها و هم به زمین نگاه کنیم. رسانایی الکتریکی و حرارتی CNT ها در واقع "سقف های نظری" هستند، اما چندین واقعیت باید در کاربردهای عملی مورد تایید قرار گیرند:

اول اینکه، خواص نانومقیاس با خواص ماکروسکوپی برابری نمی کند.یک CNT منفرد ممکن است رسانایی حرارتی 5800 W/(m·K) داشته باشد، اما یک فیلم ماکروسکوپی ساخته شده از CNT ها ممکن است تنها چند ده به دست آورد. این به دلیل نقص در خود نانولوله‌های کربنی نیست، بلکه به دلیل تماس‌های لوله-و حفره‌های موجود در مجموعه‌های ماکروسکوپی است که مقاومت حرارتی قابل‌توجهی ایجاد می‌کنند.

دوم، پراکندگی یک چالش همیشگی است.CNT ها دارای سطح بالایی هستند و نیروهای واندروالسی قوی دارند که آنها را مستعد تجمع می کند. بدون پراکندگی مناسب، حتی بالاترین رسانایی الکتریکی نیز قابل تحقق نیست. خمیرهای پراکنده پیش{2} ارائه شده توسط شاندونگ تانفنگ دقیقاً برای رفع این نقطه درد طراحی شده است.

سوم، انتخاب مواد باید با برنامه مطابقت داشته باشد.الزامات برای افزودنی‌های رسانا بین باتری‌های لیتیوم فسفات آهن (LFP) و باتری‌های نیکل-کبالت-منگنز (NCM) و همچنین بین آندهای سیلیکونی-کربن و آندهای گرافیت متفاوت است. برای سلول‌های{4}}نوع انرژی معمولی، MWCNTها بهترین کارایی-هزینه را دارند. برای سیستم‌های آند-شارژ سریع یا سیلیکونی{8}، ممکن است به SWCNT نیاز باشد. ماتریس محصول چند درجه{10}شاندونگ تانفنگ برای ارائه انعطاف پذیری مشتریان برای انتخاب بر اساس نیازشان طراحی شده است.

چندین سال پیش، در یک نمایشگاه صنعتی، یک مهندس نمونه CNT را برگزار کرد و از من پرسید: "داده های این ماده بسیار چشمگیر به نظر می رسد. چرا نمی توانیم با آن به نتایج ایده آل برسیم؟" در آن زمان پاسخ دادم: "خواص یک ماده و عملکرد یک محصول دو چیز متفاوت هستند. اولی به توانایی ذاتی بستگی دارد و دومی به مهارت بستگی دارد."

من هنوز هم همین دیدگاه را دارم. قابلیت ذاتی CNTها بدون شک{1}}آنها الکتریسیته را بهتر از مس و گرما را بهتر از الماس هدایت می کنند. اما تبدیل این قابلیت ذاتی به محصولات پایدار و قابل اعتماد مستلزم شرکت هایی مانند شاندونگ تانفنگ-با فناوری های ثبت شده، تجربه تولید، و تخصص برنامه کاربردی انباشته{4}} است تا به طور پیوسته «قابلیت» را به «مهارت» تبدیل کنند.

اگر به دنبال تامین‌کننده قابل اعتماد پودرهای CNT یا خمیرهای رسانا هستید، یا می‌خواهید چگونگی استفاده از CNT‌ها در محصولات خود را بررسی کنید، لطفاً با شرکت فناوری جدید مواد جدید شاندونگ تانفنگ تماس بگیرید.