Многие сотрудники, занимающиеся исследованиями и разработками материалов, озадачиваются, когда видят расценки на одностенные-или полупроводниковые углеродные нанотрубки при запросе образцов в цепочке поставок. Оба являются черными порошками, так почему же много-углеродные нанотрубки стоят всего несколько десятков юаней за килограмм, в то время как высококачественные-одностенные-углеродные нанотрубки или полупроводниковые углеродные нанотрубки могут стоить несколько тысяч или даже десятков тысяч юаней за грамм? Почему высококачественные-углеродные нанотрубки (одно-стенные/полупроводниковые) такие дорогие?
1. Одностенные-против многостенных-: одни и те же углеродные нанотрубки, разница в цене в сто- раз
Цена одно-углеродных нанотрубок (ОУНТ) обычно более чем в 100 раз превышает стоимость много-углеродных нанотрубок (МУНТ). Обычные многостенные трубы стоят 60 000-500 000 юаней/тонну, тогда как одностенные трубы могут стоить от 6 до 20 миллионов юаней/тонну.
Что это значит? Один килограмм высококачественного порошка-одностенных-углеродных нанотрубок продается за 6 000-20 000 юаней -, что примерно соответствует цене семейного автомобиля среднего класса. Недаром в мире материалов его называют «черным золотом».
| Сравнительный размер | Много-углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) | Одностенные-углеродные нанотрубки (ОУНТ) |
|---|---|---|
| Диаметр трубки | 7-100 нм | 1-2 нм |
| Цена продажи | 100 000-200 000 юаней/тонна | 6 000 000-20 000 000 юаней/тонна |
| Проводящая эффективность | Требуется добавление 0,5%+ | Всего 0,03% могут достичь значительных результатов. |
| Позиционирование приложения | Промышленная рабочая лошадка, приоритет-экономической эффективности | Король наноматериалов, высочайшая производительность |
2. Откуда берется стоимость? Три «Денежных-активных» ссылки
Невероятно-высокая цена на одно-углеродные нанотрубки обусловлена тремя факторами: "сложной подготовкой, трудным разделением и низкой производительностью". Каждое звено требует чрезвычайно высоких инвестиций в технику и оборудование.
2.1 Подготовка: атомарный-уровень «Точный контроль»
Характеристики углеродных нанотрубок зависят от их киральности (угла прокатки) и диаметра. Диаметр одно-углеродных нанотрубок составляет всего 1-2 нанометра. Выращивание таких тонких трубок на катализаторах требует чрезвычайно строгого контроля над температурой, скоростью потока источника углерода и соотношением катализатора.
Хотя современный метод CVD (химическое осаждение из паровой фазы) может быть использован для промышленного производства, синтезируемый продукт неизбежно содержит смесь металлических и полупроводниковых углеродных нанотрубок. Другими словами, процесс роста не делает различий - оба типа растут вместе, и невозможно «производить только тот тип, который вам нужен».
С точки зрения структуры затрат, затраты на сырье составляют 40-60% общих затрат на производство углеродных нанотрубок. К одностенным трубкам- предъявляются более строгие требования к чистоте источника углерода и катализаторам, при этом затраты на сырье намного превышают затраты на многостенные трубы.
2.2 Сепарация и очистка: сбор «золотых бобов» из «смешанного горшка»
Это звено, которое в наибольшей степени способствует повышению «премии» одно-углеродных нанотрубок. Для изготовления электронных устройств, таких как транзисторы, необходимо использовать полупроводниковые одностенные углеродные нанотрубки, - металлические трубки разрушат характеристики переключения транзисторов.
Но проблема в том, что эффективное разделение полупроводниковых и металлических углеродных нанотрубок из смесей остается задачей мирового-класса. Общие методы включают центрифугирование в градиенте плотности, электрофоретическое разделение и селективную функционализацию. Эти методы либо громоздки и имеют низкую производительность, либо чрезвычайно дорогостоящи и сложны в масштабировании.
Проект TFT с печатью углеродных нанотрубок национального-уровня показывает, что после сложных процессов очистки можно получить полупроводниковые углеродные нанотрубки с чистотой более 99,997 % -, но достижение такого уровня чистоты требует чрезвычайно высоких затрат с точки зрения сложности процесса и затрат времени.
2.3 Рыночная ситуация: несколько игроков монополизируют предложение
Дефицит приводит к росту цен. В настоящее время одна только компания OCSiAl занимает примерно 90% мирового рынка одностенных углеродных нанотрубок с существующей производственной мощностью около 100 тонн. Внутри страны Tianneng Technology продвигает строительство производственных мощностей мощностью 150 тонн.
Что касается спроса, то глобальный рынок одностенных углеродных нанотрубок-быстро расширяется, среднегодовые темпы роста составляют 49,5 %. Дисбаланс спроса-спроса еще больше поддерживает высокую цену.
3. Почему это «дорого», но ценно? Производительность – это главный результат
Сверх-высокая цена одно-углеродных нанотрубок обусловлена их гораздо более высокой проводимостью, механическими свойствами и теплопроводностью по сравнению с многостенными-трубками.
Высокая цена или нет, зависит от "экономической-эффективности". Насколько эффективны одно-углеродные нанотрубки?
| Индикатор эффективности | Одностенные-углеродные нанотрубки (ОУНТ) | Много-углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) |
|---|---|---|
| Модуль упругости | 1000-3000 ГПа | 300-1000 ГПа |
| Предел прочности | 50-100 ГПа | 10-50 ГПа |
| Теплопроводность | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Минимальное количество проводящей добавки | 0.01% | 0.5% |
В качестве примера рассмотрим применение литиевых батарей. В катодах LFP много-углеродные нанотрубки с несколькими стенками требуют добавления 0,9 % для достижения объемного удельного сопротивления 13,80 Ом·см. Одностенным углеродным нанотрубкам - требуется всего 0,03 % (1/30 МУНТ) для достижения более низкого удельного сопротивления 4,77 Ом·см.
Разрыв еще более выражен в системах кремниевых анодов: МУНТ требуют 3% добавки для удельного сопротивления 0,78 Ом·см; Для ОСУНТ требуется всего 0,3% (1/10), что снижает удельное сопротивление до 0,75 Ом·см.
Это означает: хотя цена единицы ОУНТ высока, объем их использования чрезвычайно низок. В составах батарей высокого-класса общая стоимость не обязательно может быть выше, чем при использовании МУНТ.
4. Новый материал Шаньдун Танфэн: исследование локализации высококачественных ОУНТ-качества.
Компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. активно продвигает локализацию высококачественных-углеродных нанотрубок. Продукция серии TF включает одно-/многостенные-углеродные нанотрубки с чистотой не менее 98 %, что представляет собой значительную силу в преодолении «монополии высоких-цен».
Основная причина высокой цены – технический барьер. Нарушение монополии требует внутреннего замещения - именно то, что делает компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Новый материал Shandong Tanfeng, благодаря собственной -разработанной высоко-эффективной каталитической системе, предотвращающей спекание-и процессам непрерывной очистки, значительно улучшил выход одно-углеродных нанотрубок и уменьшил количество остатков примесей. Это мощный производитель источников, обеспечивающий снижение затрат на-углеродные трубки высокого класса. Как отечественный производитель, глубоко укоренившийся в производстве углеродных-материалов, он преодолевает этот ценовой барьер по следующим трем направлениям:
Прорыв в технологии предотвращения-спекания катализаторов:В Tanfeng New Material используется специальный катализатор на подложке, который эффективно подавляет высокотемпературное спекание во время роста однослойных-углеродных нанотрубок, продлевая срок службы катализатора более чем в 3 раза и увеличивая выход макроскопического роста SWCNT более чем на 20 %, снижая затраты на материалы у источника.
Процесс непрерывной очистки и удаления примесей:Борясь с большим количеством остатков аморфного углерода и металлов в сырых продуктах из ОСНТ, компания Shandong Tanfeng отказалась от неэффективной периодической кислотной промывки и разработала противоточное оборудование непрерывной очистки. Не повреждая ОСУНТ, он контролирует зольность в пределах 2 %, обеспечивая-лучшую в отрасли чистоту и значительно снижая затраты последующих клиентов на последующую обработку.
Содействие крупномасштабному-разделению полупроводниковых ОСУНТ: 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%) по ценам лишь 50% импортной продукции, предлагая высокоэкономическую-эффективную отечественную альтернативу коммерческому применению гибких датчиков и высококачественных-антистатических-покрытий.
"Заоблачная-высокая цена" на высококачественные-одностенные-углеродные нанотрубки является результатом сочетания четырех факторов: процессов подготовки на атомном-уровне, проблем разделения мирового-класса, олигополистической структуры рынка и премий за конечную производительность. Поскольку отечественные предприятия -, включая китайские силы, такие как Shandong Tanfeng New Material -, продолжают продвигать локализацию одностенных углеродных нанотрубок, ожидается, что цена на высококачественные углеродные нанотрубки- в будущем будет постепенно снижаться. Для предприятий с-требованиями в сфере высокотехнологичных приложений сейчас самое подходящее время для внедрения высококачественных-углеродных нанотрубок отечественного производства для модернизации рецептур и снижения затрат при одновременном повышении эффективности.