Багато співробітників відділу досліджень і розробок матеріалів дивуються, коли бачать цінову пропозицію на одностінні або напівпровідникові вуглецеві нанотрубки, запитуючи зразки в ланцюзі постачання. Обидва вони є чорними порошками, тож чому багато{2}}шарові вуглецеві нанотрубки коштують лише кілька десятків юанів за кілограм, тоді як високо{3}}якісні-напівпровідникові вуглецеві нанотрубки можуть коштувати кілька тисяч або навіть десятків тисяч юанів за грам? Чому високоякісні-вуглецеві нанотрубки (одностінні/напівпровідникові) такі дорогі?
1. Одностінні-та багато{3}}стінні: однакові вуглецеві нанотрубки, різниця в ціні-разів
Ціна одностінних вуглецевих нанотрубок (SWCNT) зазвичай у 100 разів вища за багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT). Звичайні багатостінні-труби коштують 60 000-500 000 юанів/тонна, тоді як одностінні труби можуть сягати від 6 до 20 мільйонів юанів/тонна.
Що це означає? Один кілограм високо{0}}якісного-порошку вуглецевих нанотрубок продається за 6000-20 000 юанів -, що приблизно еквівалентно ціні сімейного автомобіля середнього класу. Недарма в світі матеріалів його називають «чорним золотом».
| Вимір порівняння | Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT) | Одностінні-вуглецеві нанотрубки (SWCNT) |
|---|---|---|
| Діаметр труби | 7-100 нм | 1-2 нм |
| Ціна продажу | 100 000-200 000 юанів/тонна | 6 000 000-20 000 000 юанів/тонна |
| Кондуктивна ефективність | Потрібно додавання 0,5%+ | Вже 0,03% можуть досягти значних результатів |
| Позиціонування програми | Промислова робоча конячка, пріоритет-економічної ефективності | Король наноматеріалів, найвища ефективність |
2. Звідки береться вартість? Три посилання "Money-Burning".
Захмарна-ціна одностінних-вуглецевих нанотрубок пояснюється потрійним накладанням: «складне приготування, складне розділення та низька виробнича потужність». Кожна ланка потребує надзвичайно значних технічних інвестицій та інвестицій у обладнання.
2.1 Підготовка: Атомний-рівень «Контроль точності»
Продуктивність вуглецевих нанотрубок залежить від їх хіральності (кута кочення) і діаметра. Діаметр одностінних-вуглецевих нанотрубок становить лише 1-2 нанометри. Вирощування таких тонких трубок на каталізаторах вимагає надзвичайно високого контролю над температурою, швидкістю потоку джерела вуглецю та співвідношенням каталізатора.
Хоча поточний метод CVD (хімічне осадження з парової фази) можна використовувати для промислового виробництва, синтезований продукт неминуче містить суміш металевих і напівпровідникових вуглецевих нанотрубок. Іншими словами, процес зростання не розрізняє - обидва типи ростуть разом, і неможливо «виробляти лише той тип, який ви хочете».
З точки зору структури витрат, витрати на сировину складають 40-60% загальних витрат на виробництво вуглецевих нанотрубок. До одностінних-труб пред’являються суворіші вимоги до чистоти джерела вуглецю та каталізаторів, а вартість сировини значно перевищує вартість багатостінних труб.
2.2 Розділення та очищення: вибирання «золотих бобів» із «змішаного горщика»
Це зв’язок, який найбільше сприяє «преміумності» одностінних-вуглецевих нанотрубок. Для виготовлення електронних пристроїв, таких як транзистори, необхідно використовувати напівпровідникові-вуглецеві нанотрубки - металеві трубки можуть порушити характеристики перемикання транзисторів.
Але проблема полягає в тому, що ефективне відокремлення напівпровідникових і металевих вуглецевих нанотрубок від сумішей залишається викликом-світового рівня. Загальні методи включають центрифугування в градієнті густини, електрофоретичне розділення та селективну функціональність. Ці методи або громіздкі з низьким виходом, або надзвичайно дорогі та важкі для масштабування.
Національний -проект TFT-друку вуглецевих нанотрубок показує, що після складних процесів очищення можна виготовити напівпровідникові вуглецеві нанотрубки з чистотою понад 99,997% -, але досягнення такого рівня чистоти потребує надзвичайно високих витрат з точки зору складності процесу та витрат часу.
2.3 Ринковий ландшафт: кілька гравців монополізують постачання
Дефіцит підвищує ціну. Наразі тільки OCSiAl займає приблизно 90% глобальної частки ринку одностінних вуглецевих нанотрубок із поточною виробничою потужністю близько 100 тонн. На внутрішньому ринку Tianneng Technology просуває будівництво 150 тонн виробничих потужностей.
Що стосується попиту, глобальний ринок одностінних вуглецевих нанотрубок швидко розширюється із загальним річним темпом зростання на 49,5%. Дисбаланс пропозиції-попиту додатково підтримує високу ціну.
3. Чому це «дорого», але цінно? Ефективність – головне
Над-висока ціна одно-вуглецевих нанотрубок підтримується їх значно кращою ефективністю провідності, механічними властивостями та теплопровідністю порівняно з багато-стінними трубками.
Висока ціна залежить від-економічної ефективності. Наскільки здатні одностінні-вуглецеві нанотрубки?
| Індикатор ефективності | Одностінні-вуглецеві нанотрубки (SWCNT) | Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT) |
|---|---|---|
| Модуль пружності | 1000-3000 ГПа | 300-1000 ГПа |
| Міцність на розрив | 50-100 ГПа | 10-50 ГПа |
| Теплопровідність | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Мінімальна кількість електропровідної добавки | 0.01% | 0.5% |
Як приклад застосування літієвої батареї: у катодах LFP багато{0}}шарові вуглецеві нанотрубки потребують додавання 0,9%, щоб досягти питомого об’ємного опору 13,80 Ом·см. Одностінні-вуглецеві нанотрубки потребують лише 0,03% (1/30 MWCNT), щоб досягти меншого питомого опору 4,77 Ом·см.
Розрив ще більш виражений у системах кремнієвих анодів: MWCNT потребують додавання 3% для питомого опору 0,78 Ом · см; SWCNT потребують лише 0,3% (1/10), зменшуючи питомий опір до 0,75 Ом·см.
Це означає: хоча ціна за одиницю SWCNT є високою, обсяг використання надзвичайно низький. У високоякісних-компонентах акумуляторів загальна вартість не обов’язково може бути вищою, ніж використання MWCNT.
4. Новий матеріал Shandong Tanfeng: дослідження локалізації високоякісних SWCNTs-
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. активно сприяє локалізації високо-якісних вуглецевих нанотрубок. Продукти серії TF охоплюють одно-/багато-шарові вуглецеві нанотрубки з чистотою понад або дорівнює 98 %, що представляє значну силу в розриві «монополії високих- цін».
Основною причиною високої ціни є технічний бар'єр. Порушення монополії вимагає внутрішньої заміни - саме те, що робить Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Компанія Shandong Tanfeng New Material завдяки власно-розробленій високоефективній каталітичній системі проти-спікання та безперервним процесам очищення значно підвищила вихід одностінних-вуглецевих нанотрубок і зменшила кількість залишків домішок. Це потужний виробник джерела, що сприяє зниженню витрат-на вуглецеві трубки високого класу. Як вітчизняний виробник сировини, який глибоко вкорінився у вуглецеві-матеріали, він долає цей ціновий бар’єр за такими трьома параметрами:
Прорив у технології захисту-спекання каталізатора:У новому матеріалі Tanfeng використовується спеціальний каталізатор на підтримці, який ефективно пригнічує високо{0}}температурне спікання під час вирощування одностінних-вуглецевих нанотрубок, подовжуючи термін служби каталізатора більш ніж у 3 рази та збільшуючи макроскопічний вихід SWCNT до понад 20%, зменшуючи витрати на матеріал у джерела.
Безперервне очищення та процес видалення домішок:Орієнтуючись на велику кількість залишків аморфного вуглецю та металів у необроблених SWCNT продуктах, Shandong Tanfeng відмовився від неефективного періодичного промивання кислотою та розробив безперервне протитечійне очисне обладнання. Не пошкоджуючи SWCNTs, він контролює вміст золи в межах 2%, досягаючи-провідної чистоти в галузі та значно знижуючи подальші витрати на переробку клієнтів.
Сприяння широкомасштабному-розділу напівпровідникових ОУНТ: 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%) за ціною лише 50% імпортної продукції, пропонуючи високорентабельну-національну альтернативу для комерційного застосування гнучких датчиків і високо{3}}антистатичних-покриттів.
«Захмарно{0}}висока ціна» високо-якісних одностінних-вуглецевих нанотрубок є результатом поєднання чотирьох факторів: процесів-підготовки на атомному-рівні, проблем-відокремлення світового класу, олігополістичної структури ринку та кінцевих надбавок до продуктивності. Оскільки вітчизняні підприємства -, включаючи китайські сили, такі як Shandong Tanfeng New Material -, продовжують розвивати локалізацію одно-вуглецевих нанотрубок, очікується, що ціна на високо-якісні вуглецеві нанотрубки в майбутньому поступово знижуватиметься. Для підприємств із високими-потребами в застосуванні зараз найкращий час представити вітчизняні високоякісні-вуглецеві нанотрубки для модернізації складу та зниження витрат із підвищенням ефективності.