什么是碳纳米管？

什么是碳纳米管？

2023/12/06

CNT 是一种来自日本的先进材料，由 Sumio Iijima 博士于 1991 年发现，令全世界的研究人员感到惊讶。人们对其在航天工业中的潜在应用抱有很大的期望，包括在太空电梯中的使用。目前，它利用其作为工业产品材料的优点，如轻质、高强度、高弹性和高导电性，被广泛应用于半导体和锂离子电池等多种产品。我们向纳米碳器件研究中心研究主任小久保询问了碳纳米管的发展现状和新应用的开发情况。

什么是碳纳米管（CNT）

　碳纳米管具有仅由碳原子 (C) 组成的管状结构。存在具有单管层的单壁碳纳米管（单壁CNT）和具有多层的多壁碳纳米管（多壁CNT）。两者具有高导热性和导电性等共同特性，但又各有不同的特点。

　单壁碳纳米管的直径约为1至4纳米。它具有管材薄而具有柔韧性、优良的导电性和导热性以及高化学反应性等特点。利用这些特性，单壁碳纳米管正被用作与橡胶、树脂、金属等的复合材料，并应用于各种电子器件，如晶体管、存储器和传感器。尽管高质量和高功能的单壁碳纳米管很有吸引力，但它们难以制造，并且制造成本高是其广泛使用的一个问题。

另一方面，多壁CNT具有多层碳管，其管直径约为4至150nm，比单壁CNT厚，并且具有高强度的特征。目前，多壁碳纳米管的生产成本比单壁碳纳米管更低，并且由世界各地的制造商生产，包括日本、中国、韩国、欧洲和美国。据称每年需求量超过5000吨，主要作为安装在移动终端和电动汽车（EV）中的锂离子电池（LiB）的导电添加剂。此外，碳纳米管还用于羽毛球、网球拍、高尔夫球杆等运动器材、耐盐害等恶劣环境的防锈涂料、扬声器振动膜、加热背心等发热材料等日常用品中。

	功能
单壁碳纳米管	·纤细且柔韧，直径约为1至4纳米 ·优异的导电性和导热性 ·高化学反应性 ·目前用于高性能目的
多层碳纳米管	·直径约4～150nm的厚且高强度 ·低价 ·广泛应用于LiB导电助剂、体育用品、涂料、发热材料等

碳纳米管是如何制造的？

我想制造更长、性能更高的碳纳米管

　增强碳纳米管功能的一个重要因素是管的长度。通过增加每个CNT的长度，减少了CNT之间的接触电阻的影响，并且增加了导热性和导电性。目前市场上的大多数单壁碳纳米管尺寸在几百微米到几毫米之间，生产碳纳米管的公司正致力于开发更长的碳纳米管。

　AIST多年来一直在开发各种单壁碳纳米管生产方法，并与公司合作将其商业化。 2004年开发的超级生长法是一种在涂有金属催化剂的基底上生长单壁碳纳米管的方法。通过这种方法，约25毫米的单壁碳纳米管可以在约10分钟内生长，实现比传统方法高约1,000倍的生长和催化效率。

　此外，eDIPS法是化学气相沉积(CVD)法的一种，是一种巧妙地控制两种或更多种碳源的供应并在流动气相中生长单壁CNT而不使用基底的方法。由于它在空气中生长，因此具有能够生产长、直、高质量单壁碳纳米管的优点。

　然而，如果尝试使用现有方法延长碳纳米管，问题是质量会下降，制造成本也会增加。为了实现太空电梯并使碳纳米管得到更广泛的应用，有必要克服这些问题并创造一个可以根据应用以较低成本选择最佳长度碳纳米管的环境。

作为锂离子电池的导电助剂而广受欢迎

　碳纳米管的最大市场是作为电极的导电剂，以提高锂硼的电导率。 LiB通过在正极和负极之间移动锂离子来移动电子，从而在正极和负极之间产生电位差来进行充电和放电。导电添加剂是有助于电子运动的材料。通过在LiB正极中分散导电添加剂，电子的运动变得更加顺畅，电阻也降低了。

目前，碳纳米管分散体被用作导电添加剂，以提高电动汽车和移动设备电池的性能。未来，随着电动汽车的普及，对锂电池和碳纳米管作为导电添加剂的需求预计将会增加。

　在电动汽车普及的中国，与常用作锂硼导电添加剂的炭黑相比，高导电性多壁碳纳米管用作锂硼导电添加剂的比例正在增加，进入碳纳米管制造行业的公司数量也在增加。在日本，CNT分散体也成为业界的热门话题，墨水和书写工具制造商利用这些产品开发中积累的技术开发了CNT分散体。

　目前全球多壁碳纳米管市场规模据说每年超过5000吨，预计到2025年市场规模将进一步增长并突破1万吨。

　单壁碳纳米管的制造方法得到了改进，价格也明显下降，这是我们推广它应该努力的方向。首先，我们预计LiB将在航天和医疗行业等需要高性能且能在一定程度上承受高价格的应用中得到普及。随着LiB所需性能的提高和导电添加剂变得更加昂贵，我们预计多壁CNT将被单壁CNT所取代。

CNT 业务挑战和 AIST 的努力

　产业技术研究所长年对CNT进行研究，从基础知识到实用化所需的制造技术，再到安全使用所需的评价技术，始终如一地致力于研究。

　经过应用上述超生长法的研究开发以及与企业的共同研究，Zeon Corporation于2015年建成了CNT量产工厂，2018年，Sunarrow Co, Ltd将使用超生长法生产的单壁CNT的橡胶O型圈商业化。通过将CNT与氟橡胶相结合，实现了高导电性、高耐久性、高强度，具有坚固、安全的特点。此后，我们不断开发高导电性且耐用且柔软的硅橡胶复合材料，以及具有高耐热性、高抗冲击性和高度均匀抗静电性能的树脂复合材料。

　整个行业中，医疗领域的可穿戴设备、防腐涂料、体育用品等使用CNT的应用产品正在陆续开发并投入实用，未来应用有望扩展到RFID标签、非易失性存储器等电子设备。

　未来，随着碳纳米管的应用越来越广泛，不仅需要开发大规模生产技术以提高生产率，而且改进碳纳米管分布式评估技术也很重要。 CNT主要用作导电添加剂和复合材料，但为了提高其功能性，提高性能的关键是评估CNT如何分散和共混到此类溶液和基材中，并改善分散状态。

　AIST积累了多年的CNT相关研究成果，不仅在合成和量产技术的研究上，而且在安全使用纳米材料的各种评估方法和途径方面都拥有广泛的知识和技术。纳米碳器件研究中心组建的多元化研究团队将与相关公司合作，推进研究和开发，旨在进一步普及碳纳米管。