Mnoho pracovníků výzkumu a vývoje materiálů je zaskočeno, když vidí nabídku na jednostěnné nebo polovodičové uhlíkové nanotrubice při požadavku na vzorky z dodavatelského řetězce. Obojí je černý prášek, tak proč vícestěnné uhlíkové nanotrubice stojí jen několik desítek RMB za kilogram, zatímco vysoce-kvalitní jednostěnné nebo polovodičové uhlíkové nanotrubičky mohou stát několik tisíc nebo dokonce desítky tisíc RMB za gram? Proč jsou vysoce-kvalitní uhlíkové nanotrubice (jednostěnné/polovodičové) tak drahé?
1. Jednostěnné-stěnné vs. vícenásobné-stěnné: stejné uhlíkové nanotrubičky, sto{4}}násobný cenový rozdíl
Cena jednostěnných uhlíkových nanotrubic (SWCNT) je obvykle více než 100krát vyšší než cena vícestěnných uhlíkových nanotrubic (MWCNT). Běžné vícestěnné trubky stojí 60 000-500 000 RMB/tunu, zatímco jednostěnné trubky mohou dosáhnout 6 až 20 milionů RMB/tunu.
Co to znamená? Jeden kilogram vysoce-kvalitního jednostěnného{1}}prášku z uhlíkových nanotrubiček se prodává za 6 000-20 000 RMB -, což je zhruba ekvivalentní ceně rodinného auta střední třídy. Není divu, že se mu ve světě materiálů říká „černé zlato“.
| Srovnávací rozměr | Více{0}}stěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) | Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT) |
|---|---|---|
| Průměr trubky | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Prodejní cena | 100 000-200 000 RMB/tunu | 6 000 000–20 000 000 RMB/tunu |
| Vodivá účinnost | Vyžaduje přidání 0,5 %+ | Již 0,03 % může dosáhnout významných výsledků |
| Umístění aplikace | Průmyslový dříč, priorita-efektivity nákladů | Král nanomateriálů, maximální výkon |
2. Odkud pocházejí náklady? Tři odkazy „Peníze-spalování“.
Nebeská -vysoká cena jednostěnných uhlíkových nanotrubiček pochází z trojitého překrytí „obtížné přípravy, obtížné separace a nízké výrobní kapacity“. Každý odkaz vyžaduje extrémně vysoké technické a vybavení.
2.1 Příprava: Atomová-úroveň „Přesné řízení“
Výkon uhlíkových nanotrubic závisí na jejich chiralitě (úhel valení) a průměru. Průměr jednostěnných uhlíkových nanotrubic je pouze 1–2 nanometry. Pěstování takových tenkých trubek na katalyzátorech vyžaduje extrémně vysokou kontrolu teploty, průtoku zdroje uhlíku a poměru katalyzátoru.
I když je současná metoda CVD (chemická depozice z plynné fáze) využitelná pro průmyslovou výrobu, syntetizovaný produkt nevyhnutelně obsahuje směs kovových a polovodivých uhlíkových nanotrubiček. Jinými slovy, proces růstu nerozlišuje - oba typy rostou společně a je nemožné „produkovat pouze typ, který chcete“.
Z hlediska struktury nákladů tvoří náklady na suroviny 40-60 % celkových nákladů na výrobu uhlíkových nanotrubiček. Jednostěnné trubky mají přísnější požadavky na čistotu zdroje uhlíku a katalyzátory, přičemž náklady na suroviny daleko převyšují ceny vícestěnných trubek.
2.2 Separace a čištění: Výběr „zlatých fazolí“ ze „smíšeného hrnce“
Toto je odkaz, který nejvíce přispívá k „prémii“ jednostěnných uhlíkových nanotrubic. Pro výrobu elektronických zařízení, jako jsou tranzistory, je nutné použít polovodivé jednostěnné uhlíkové nanotrubičky - kovové trubice by zničily spínací charakteristiky tranzistorů.
Problém je však v tom, že účinné oddělování polovodičových a kovových uhlíkových nanotrubic ze směsí zůstává výzvou světové-třídy. Běžné metody zahrnují centrifugaci v hustotním gradientu, elektroforetickou separaci a selektivní funkcionalizaci. Tyto metody jsou buď těžkopádné s nízkým výtěžkem, nebo extrémně nákladné a obtížně škálovatelné.
Národní{0}}projekt TFT s tištěnými uhlíkovými nanotrubičkami ukazuje, že po složitých procesech čištění lze připravit polovodivé uhlíkové nanotrubice s čistotou vyšší než 99,997 % -, ale dosažení této úrovně čistoty je spojeno s extrémně vysokými náklady z hlediska složitosti procesu a časové investice.
2.3 Krajina trhu: Několik hráčů monopolizuje nabídku
Nedostatek zvyšuje cenu. V současné době vlastní společnost OCSiAl přibližně 90 % celosvětového podílu na trhu s jednostěnnými uhlíkovými nanotrubičkami se stávající výrobní kapacitou přibližně 100 tun. V tuzemsku Tianneng Technology postupuje ve výstavbě 150 tun výrobní kapacity.
Na straně poptávky se celosvětový trh s jednostěnnými uhlíkovými nanotrubičkami rychle rozrůstá se složenou roční mírou růstu 49,5 %. Nerovnováha nabídky-poptávky dále podporuje vysokou cenu.
3. Proč je to "drahé" a přesto cenné? Výkon je sečteno a podtrženo
Mimořádně{0}}vysoká cena jednostěnných uhlíkových nanotrubiček je podpořena jejich mnohem lepší vodivostí, mechanickými vlastnostmi a tepelnou vodivostí ve srovnání s více-trubkami.
Zda je cena vysoká či nikoli, závisí na „efektivitě nákladů-“. Jak moc jsou jednostěnné uhlíkové nanotrubice-?
| Ukazatel výkonu | Jednostěnné uhlíkové nanotrubice (SWCNT) | Více{0}}stěnné uhlíkové nanotrubice (MWCNT) |
|---|---|---|
| Elastický modul | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Pevnost v tahu | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Tepelná vodivost | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Minimální množství vodivé přísady | 0.01% | 0.5% |
Vezměme si jako příklad aplikace lithiových baterií: V LFP katodách vyžadují vícestěnné uhlíkové nanotrubice 0,9% přídavek k dosažení objemového odporu 13,80 Ω·cm. Jednostěnné uhlíkové nanotrubice vyžadují pouze 0,03 % (1/30 MWCNT) k dosažení nižšího měrného odporu 4,77 Ω·cm.
Mezera je ještě výraznější u systémů s křemíkovou anodou: MWCNT vyžadují 3% přídavek pro měrný odpor 0,78 Ω·cm; SWCNT vyžadují pouze 0,3 % (1/10), čímž se odpor snižuje na 0,75 Ω·cm.
To znamená: i když je jednotková cena SWCNT vysoká, množství použití je extrémně nízké. Ve složení baterií vyšší třídy{1} nemusí být celkové náklady nutně vyšší než při použití MWCNT.
4. Nový materiál Shandong Tanfeng: Zkoumání lokalizace vysoce-kvalitních SWCNT
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. aktivně propaguje lokalizaci vysoce-kvalitních uhlíkových nanotrubic. Její produkty řady TF pokrývají jednostěnné/vícestěnné uhlíkové nanotrubice s čistotou 98 % nebo vyšší, což představuje významnou sílu při prolomení „vysokého-monopolu cen“.
Zásadním důvodem vysoké ceny je technická bariéra. Prolomení monopolu vyžaduje domácí substituci - přesně to, co Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Nový materiál Shandong Tanfeng díky svému vlastnímu -vyvinutému vysoce-systému katalyzátoru proti slinování{2}} a kontinuálním procesům čištění výrazně zlepšil výtěžnost jednostěnných uhlíkových nanotrubiček a snížil zbytky nečistot. Jedná se o výrobce výkonných zdrojů, který zajišťuje snížení nákladů na vysoce-karbonové trubice. Jako domácí výrobce zdrojů hluboce zakořeněný v materiálech na bázi uhlíku- prolamuje tuto cenovou bariéru z následujících tří dimenzí:
Průlom v technologii Catalyst Anti{0}}Sintrování:Tanfeng New Material využívá speciální podporovaný katalyzátor, který účinně inhibuje vysokoteplotní slinování během růstu jednostěnných uhlíkových nanotrubic, prodlužuje životnost katalyzátoru více než 3krát a zvyšuje makroskopický růstový výnos SWCNT na více než 20 %, čímž snižuje náklady na materiál u zdroje.
Průběžný proces čištění a odstraňování nečistot:Společnost Shandong Tanfeng, která se zaměřuje na velké množství amorfního uhlíku a kovových zbytků v surových produktech SWCNT, opustila neefektivní dávkové kyselé praní a vyvinula kontinuální protiproudé čisticí zařízení. Bez poškození SWCNT kontroluje obsah popela do 2 %, čímž dosahuje-přední čistoty v oboru a výrazně snižuje následné náklady na zpracování u následných zákazníků.
Propagace-velkého oddělení polovodičových SWCNT: 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 %) za ceny pouze 50 % dovážených produktů a nabízí vysoce nákladově-efektivní domácí alternativu pro komerční použití flexibilních senzorů a špičkových-anti{4}}statických povlaků.
„Nebeská-vysoká cena“ vysoce-kvalitních jednostěnných uhlíkových nanotrubiček je výsledkem kombinace čtyř faktorů: procesů přípravy na atomové-úrovni, problémů se separací světové-třídy, oligopolní struktury trhu a prémií za maximální výkon. Vzhledem k tomu, že domácí podniky - včetně čínských sil jako Shandong Tanfeng New Material - pokračují v prosazování lokalizace jednostěnných uhlíkových nanotrubic, očekává se, že cena vysoce-kvalitních uhlíkových nanotrubiček bude v budoucnu postupně klesat. Pro podniky s náročnými{11}}aplikačními potřebami je nyní ten nejlepší čas na zavedení vysoce kvalitních uhlíkových nanotrubiček domácí výroby{12}}pro vylepšení složení a snížení nákladů se zvýšením účinnosti.