چرا نانولوله های کربنی با کیفیت بالا (تک دیواره/نیمه رسانا)-اینقدر گران هستند؟ - وبلاگ

بسیاری از پرسنل تحقیق و توسعه مواد وقتی قیمت نانولوله‌های کربنی تک دیواره یا نیمه‌رسانا- را می‌بینند در حالی که نمونه‌هایی را از زنجیره تأمین درخواست می‌کنند، متعجب می‌شوند. هر دو پودر سیاه هستند، پس چرا قیمت نانولوله‌های کربنی چند جداره چند ده RMB به ازای هر کیلوگرم است، در حالی که قیمت نانولوله‌های کربنی تک جداره یا نیمه‌رسانا با کیفیت بالا می‌تواند چندین هزار یا حتی ده‌ها هزار RMB در هر گرم باشد؟ چرا نانولوله های کربنی با کیفیت بالا (تک دیواره/نیمه رسانا)-اینقدر گران هستند؟

Why Are High-Quality Carbon Nanotubes (Single-Walled / Semiconducting) So Expensive?

1. تک دیواری در مقابل چند دیواری

قیمت نانولوله‌های کربنی تک‌جداره (SWCNT) معمولاً بیش از 100 برابر نانولوله‌های کربنی چند دیواره (MWCNT) است. لوله های چند جداره معمولی 60000-500000 RMB/ton قیمت دارند، در حالی که لوله های تک جداره می توانند به 6 تا 20 میلیون RMB/ton برسند.

این به چه معناست؟ یک کیلوگرم پودر نانولوله کربنی با کیفیت بالا-تک دیواره-به قیمت 6000-20000 RMB - تقریباً معادل قیمت یک خودروی خانوادگی متوسط به فروش می‌رسد. جای تعجب نیست که در دنیای مواد به آن "طلای سیاه" می گویند.

بعد مقایسه	نانولوله‌های کربنی چند دیواره{{0} (MWCNT)	نانولوله‌های کربنی تک دیواره- (SWCNT)
قطر لوله	7-100 نانومتر	1-2 نانومتر
قیمت فروش	100000-200000 RMB/ton	6,000,000-20,000,000 RMB/ton
بهره وری رسانا	به 0.5% + اضافه نیاز دارد	فقط 0.03٪ می تواند به نتایج قابل توجهی دست یابد
موقعیت یابی برنامه	اسب کار صنعتی، اولویت{0}اثربخشی هزینه	پادشاه نانومواد، عملکرد نهایی

2. هزینه از کجا می آید؟ سه پیوند "پول{1}}سوزاندن".

قیمت بالای-نانولوله‌های کربنی تک دیواره-به دلیل پوشش سه‌گانه «آماده‌سازی دشوار، جداسازی دشوار و ظرفیت تولید کم» است. هر لینک نیاز به سرمایه گذاری فنی و تجهیزات بسیار بالایی دارد.

2.1 آماده سازی: اتمی-سطح "کنترل دقیق"

عملکرد نانولوله های کربنی به کایرالیته (زاویه غلتشی) و قطر آنها بستگی دارد. قطر نانولوله های کربنی تک جداره- تنها 1-2 نانومتر است. رشد چنین لوله های نازکی روی کاتالیزورها به کنترل بسیار بالایی بر دما، سرعت جریان منبع کربن و نسبت کاتالیزور نیاز دارد.

اگرچه روش CVD فعلی (رسوب بخار شیمیایی) را می توان برای تولید صنعتی استفاده کرد، محصول سنتز شده ناگزیر حاوی مخلوطی از نانولوله های کربنی فلزی و نیمه هادی است. به عبارت دیگر، روند رشد تفاوتی ایجاد نمی کند - هر دو نوع با هم رشد می کنند، و غیرممکن است که "فقط نوع مورد نظر خود را تولید کنید."

از دیدگاه ساختار هزینه، هزینه‌های مواد خام 40-60% از کل هزینه‌های تولید نانولوله‌های کربنی را تشکیل می‌دهند. لوله‌های تک جداره الزامات سخت‌گیرانه‌تری برای خلوص منبع کربن و کاتالیزورها دارند، با هزینه‌های مواد خام بسیار بیشتر از لوله‌های چند جداره.

2.2 جداسازی و پاکسازی: چیدن "لوبیا طلایی" از یک "گلدان مخلوط"

این پیوندی است که بیشترین کمک را به "حق بیمه" نانولوله های کربنی تک دیواره- دارد. برای ساخت وسایل الکترونیکی مانند ترانزیستورها، باید از نانولوله های کربنی تک دیواره نیمه هادی- استفاده شود.

اما مشکل این است که جداسازی کارآمد نانولوله‌های کربنی نیمه‌رسانا و فلزی از مخلوط‌ها همچنان یک چالش کلاس-جهانی است. روش‌های رایج شامل سانتریفیوژ با گرادیان چگالی، جداسازی الکتروفورتیک و عامل‌سازی انتخابی است. این روش ها یا دست و پا گیر با بازده کم هستند یا بسیار پرهزینه و مقیاس پذیر هستند.

یک پروژه TFT چاپ شده با نانولوله کربنی در سطح ملی نشان می‌دهد که پس از فرآیندهای تصفیه پیچیده، می‌توان نانولوله‌های کربنی نیمه‌رسانا با خلوص بیش از 99.997% تهیه کرد، اما دستیابی به این سطح از خلوص هزینه بسیار بالایی از نظر پیچیدگی فرآیند و سرمایه‌گذاری زمانی دارد.

2.3 چشم انداز بازار: چند بازیکن عرضه را انحصار می کنند

کمبود باعث افزایش قیمت می شود در حال حاضر، OCSiAl به تنهایی حدود 90 درصد از سهم بازار نانولوله کربنی تک جداره جهانی را با ظرفیت تولید موجود حدود 100 تن در اختیار دارد. در داخل کشور، Tianneng Technology در حال پیشرفت ساخت 150 تن ظرفیت تولید است.

از نظر تقاضا، بازار جهانی نانولوله‌های کربنی تک دیواره-به سرعت با نرخ رشد مرکب سالانه 49.5 درصد در حال گسترش است. عدم تعادل عرضه-از قیمت بالا حمایت می‌کند.

3. چرا "گران" و در عین حال ارزشمند است؟ عملکرد در پایان است

قیمت بسیار بالای نانولوله‌های کربنی تک‌جداره-تک‌جداره با راندمان رسانایی، خواص مکانیکی و هدایت حرارتی بسیار برتر آنها در مقایسه با لوله‌های چند جداره- پشتیبانی می‌شود.

بالا بودن یا نبودن قیمت به "هزینه-اثربخشی" بستگی دارد. نانولوله های کربنی تک جداره چقدر قابلیت دارند؟

شاخص عملکرد	نانولوله‌های کربنی تک دیواره- (SWCNT)	نانولوله‌های کربنی چند دیواره{{0} (MWCNT)
مدول الاستیک	1000-3000 گیگا پاسکال	300-1000 گیگا پاسکال
استحکام کششی	50-100 گیگا پاسکال	10-50 گیگا پاسکال
هدایت حرارتی	3000-6000 W/(m·K)	2000-3000 W/(m·K)
حداقل مقدار افزودنی رسانا	0.01%	0.5%

در نظر گرفتن کاربردهای باتری لیتیومی به عنوان مثال: در کاتدهای LFP، نانولوله‌های کربنی چند دیواره برای دستیابی به مقاومت حجمی 13.80 Ω·cm به 0.9٪ اضافه نیاز دارند. نانولوله های کربنی تک جداره تنها به 0.03% (1/30 MWCNT) برای دستیابی به مقاومت کمتر 4.77 Ω·cm نیاز دارند.

این شکاف در سیستم‌های آند سیلیکونی آشکارتر است. SWCNT ها تنها به 0.3% (1/10) نیاز دارند، که مقاومت را به 0.75 Ω·cm کاهش می دهد.

این به این معنی است: اگرچه قیمت واحد SWCNT ها بالا است، مقدار استفاده بسیار پایین است. در فرمول‌بندی‌های باتری با کیفیت بالا، هزینه کلی ممکن است لزوماً بیشتر از استفاده از MWCNT نباشد.

4. مواد جدید شاندونگ تانفنگ: کاوش در محلی سازی SWCNT های-با کیفیت بالا

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. به طور فعال محلی سازی نانولوله های کربنی با کیفیت بالا-را ترویج می کند. محصولات سری TF آن، نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره/چند جداره- با خلوص بیشتر یا مساوی 98 درصد را پوشش می‌دهند که نشان‌دهنده نیروی قابل‌توجهی در شکستن «انحصار-قیمت بالا است.

دلیل اساسی قیمت بالا، مانع فنی است. شکستن انحصار مستلزم جایگزینی داخلی است - دقیقاً همان کاری که شاندونگ تانفنگ شرکت فناوری مواد جدید انجام می دهد.

ماده جدید شاندونگ تانفنگ، به دلیل سیستم کاتالیزور ضد تف جوشی با کارایی بالا و فرآیندهای خالص سازی مداوم، به طور قابل توجهی عملکرد نانولوله های کربنی تک دیواره-و کاهش بقایای ناخالصی را بهبود بخشیده است. این یک منبع قدرتمند تولیدکننده برای کاهش هزینه برای لوله‌های کربن-بالا است. به‌عنوان یک تولیدکننده منبع داخلی که عمیقاً در مواد مبتنی بر کربن- ریشه دارد، این سد قیمت را از سه بعد زیر می‌شکند:

پیشرفت در فناوری ضد کاتالیست-پخت شدن:Tanfeng New Material از یک کاتالیزور پشتیبانی شده ویژه استفاده می کند که به طور موثری از پخت{0}}در دمای بالا در طول رشد نانولوله کربنی تک دیواره{1} جلوگیری می کند، عمر کاتالیزور را بیش از 3 برابر افزایش می دهد و بازده رشد ماکروسکوپی SWCNT ها را به بیش از 20% افزایش می دهد و هزینه مواد در منبع را کاهش می دهد.

فرآیند تصفیه مداوم و حذف ناخالصی:شاندونگ تانفنگ با هدف قرار دادن مقادیر زیادی کربن آمورف و بقایای فلزی در محصولات خام SWCNT، شستشوی اسیدی ناکارآمد را کنار گذاشته و تجهیزات تصفیه مداوم جریان مخالف را توسعه داده است. بدون آسیب رساندن به SWCNTها، محتوای خاکستر را تا 2% کنترل می‌کند که منجر به خلوص صنعت می‌شود و هزینه‌های پردازش بعدی مشتریان پایین‌دستی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

ارتقای-جداسازی در مقیاس بزرگ SWCNT های نیمه هادی: 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٪ با قیمت فقط 50٪ محصولات وارداتی، که یک جایگزین داخلی بسیار مقرون به صرفه{2}}برای کاربرد تجاری سنسورهای انعطاف پذیر و پوشش های{3}}ضد استاتیک{4} بالا ارائه می دهد.

"قیمت{0}بالا" نانولوله های کربنی-تک دیواره-با کیفیت بالا، نتیجه چهار عامل ترکیبی است: فرآیندهای آماده سازی در سطح اتمی، چالش های جداسازی{4} در کلاس جهانی، ساختار بازار انحصاری، و امتیاز عملکرد نهایی. از آنجایی که شرکت‌های داخلی - از جمله نیروهای چینی مانند مواد جدید شاندونگ تانفنگ - به پیشرفت بومی‌سازی نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره- ادامه می‌دهند، انتظار می‌رود قیمت نانولوله‌های کربنی با کیفیت-به تدریج در آینده کاهش یابد. برای شرکت‌هایی که{11}}نیازهای کاربردی بالایی دارند، اکنون بهترین زمان برای معرفی نانولوله‌های کربنی{12}با کیفیت بالا برای ارتقاء فرمول و کاهش هزینه با بهبود کارایی است.