黑科技碳纳米管，前途会一片光明吗？

近年来，以碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔为典型代表的碳纳米材料的研究取得了巨大突破。这些具有新颖结构与优异性能的纳米级新材料，为后摩尔时代电子器件、量子计算、新能源器件、智能穿戴及智慧医疗等领域的创新发展引入了生机。

针对碳纳米管材料研究现状以及产业化发展中的关键技术和应用前景，《Carbontech Magazine》 特邀中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文副所长进行专访，以其团队系列创新研发工作为案例展开深入交流。

提到碳纳米材料，主要指富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等。石墨烯（Graphene）是一种以 sp² 杂化连接的碳原子紧密堆积成的单层二维蜂窝状晶格结构。碳纳米管（Carbon Nanotubes， CNTs）可以形象地看作是由单层或者多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构。

不管是基础研究还是产业化进展，我国碳纳米材料的整体发展都属于方阵。具体表现在以下几个方面：首先，相对于欧美、日本、韩国等国家，我国在碳纳米材料领域拥有的研发团队数目多，而且近几年在国际期刊 Nature、Science 上发表的创新成果层出不穷，特别是在手性碳纳米管生长、单晶石墨烯制备、碳基电子器件与能源应用领域，我国的研究成果处于国际领先水平。其次，碳纳米材料是我国学术界的热点方向，政府也一直高度重视，在政策、项目资金等方面都给予大量支持。这很好地支撑了我国科研团队在基础研究与应用转化方面的可持续发展。总的来说，中国碳纳米材料产业的蓬勃发展离不开各科研团队持之以恒的坚持与贡献，目前，在材料制备与表征、器件设计与加工工程化应用等方面的积累都有了长足的进步。

回顾碳纳米管材料的发展历程，我们继往开来。自1991年被发现以来，碳纳米管以其特有的一维纳米结构与力、电、热性能，被视为新材料行业的明星，越来越受到产业界的青睐。尤其是在集成电路、新型感知与显示、能源转化与储存、高端防护、复合材料、可穿戴技术等领域，碳纳米管材料有望突破多个百亿级的市场。其中，随着新能源汽车的快速发展，中国已成为碳纳米管导电剂大的生产国，预计2023年有望突破30亿元。

另外，基础研究是产业强大的基石。中国碳纳米管产业的强劲发展得益于一批持续深耕碳纳米管材料研究的科研队伍。北京大学张锦院士团队、彭练矛院士团队、李彦教授团队、清华大学范守善院士团队、魏飞教授团队、中科院物理所解思深院士团队、金属所成会明院士团队、苏州纳米所团队等在碳纳米管可控生长与规模应用方面开展了系列开创性的研究工作，为产业推进奠定了技术与人才支撑。

石墨烯方面，自2014年获诺奖以来，政府、投 资界以及企业界对这一领域的关注度与日俱增，热情高涨，很多研究团队从碳纳米管方向转向石墨烯研究。我国石墨烯在国际上有重要影响力的科研团队有北京大学刘忠范院士团队，中国科学院成会明院士团队、浙江大学高超教授团队、清华大学曲良体教授团队、中科院上海微系统所丁古巧研究员团队等等。虽然我国石墨烯研究起步较晚，但是呈现后来者居上的态势，在一大批科研工作者的努力下，文献和专利数量都已经位居全球首位。

与其他新材料类似，碳纳米材料商业化之路充满荆棘。面临的主要困境包括，延长线研究成果多，颠覆性、原创级成果少；论文及专利数目多，成果转化应用投入少；低附加值产品开发多，杀手锏产品少；同质化竞争的小企业多，有国际竞争力的规模化企业少。

如何突破困境，推动纳米碳产业，使其健康和可持续发展？首先需要产业界与学术界的紧密合作。学术界的重研究、轻工程现状，主要是由于工程化研究过程艰辛、难出成果。因此需要有更多的产业界有兴趣关注和培育0到1的研发，尊重知识产权，政产学研联手共同营造良好的创新生态，会有更多的科研人员愿意投入工程化的研究队伍中。

其次，要注意到新材料研究和产业创新发展，越来越需要组织方式变革，需要技术与产业链的密切协作，更加依赖跨学科、跨领域、跨行业的协作，对综合性的人才需求越来越大。诸如要实现碳纳米管新材料产业化，要先解决规模化生产工艺与关键装备、优化应用场景、性 价比、可靠性与稳定性等系列问题。这些问题看起来简单，其实过程攻关非常艰辛。特别在中国，相关基础配套和人才支撑明显不足，创业者需要自己去一步一步开拓。早期介入碳纳米管材料的创业公司，收入微薄，甚至持续亏损，又需要持续不断研发投入，生存与发展非常不易。另外，由于投资人喜于投资热点、关注短期利润的获取，使得纳米碳材料的产业化多爆发在低附加值行业的竞争，如作为导电剂用于电池行业导电浆料、抗静电塑料或纤维等产品中。但在航天航空、电子信息等高端领域的杀手锏应用开发与国际产业化水平相比还极为匮乏，使得纳米碳“黑 金”、“材料”的冠名还未能很好体现。因此，中国纳米碳材料的产业化应用需要更加关注高质量、高附加值市场化应用的开拓。

公开资料显示，全球碳纳米管生产企业已超百家，年产能超万吨。过去的两年，碳纳米管的产业化应用在新能源电池、导电高分子材料、超强材料和半导体器件等诸多领域都取得了长足发展。例如，天奈科技上市、 LG Chem 产能扩充、卡博特（Cabot）收购三顺纳米等，在宁德时代市值突破万亿之际，碳纳米管在锂电池导电剂的应用也将迎来繁荣期。“随着中国双碳计划的实施，碳纳米材料产业会有越来越重要的地位。在多种政策的支持下，学术界与产业界合作渠道越来越多，丰富的研究成果一定会推动中国纳米碳产业的繁荣发展。碳纳米材料是推动先进碳材料技术发展的新动力，中国应该也一定会有所作为。”李老师说道。

近些年来，碳纳米管和石墨烯材料吸引了科研人员、企业界等多方关注，相关专利和文章成果积累非常丰富。制备决定未来，能否突破低成本、批量化制备技术与抢占市场应用制高点是决定碳纳米管或石墨烯能否实现产业化发展的关键。以碳纳米管材料为例，目前其应用探索主要集中在碳基半导体、柔性器件、复合材料以及动力电池等领域。

在半导体器件应用方面：半导体技术是现代电子信息科学发展的基石。以硅为主体材料的数字集成电路技术已接近尺度和速度极限。针对后摩尔时代器件多元化需求，多种新兴半导体材料不断涌现。其中，半导体碳纳米管以其固有高迁移率、一维纳米结构、高抗辐照、高工艺兼容性、生物安全、丰富的量子效应等特色，使低成本、低功耗、高性能碳基器件研制受到了国际学术界和应用研发机构的广泛关注，有望为未来智能物联网络发展提供有力的技术支撑。

“但是，碳基器件不是要‘取代’硅基器件。”李老师说道，“因为硅基器件是时代产物，已经形成非常强大的产业基础，它的技术研发、产业链条、配套工艺设备等商业基础都十分完善，所以一项新技术想取代成熟的产业，瓜分原有市场，这是很难的！但碳基器件可以作为一个分支，在未来的智能感知器件应用领域发挥出自己的特色。其中碳基材料的潜在优势是可以发展低成本、低功耗集成电路芯片，柔性传感器件，类脑神经芯片或人工视觉芯片等等。”然而，要发展高性能碳基电子器件，首先要突破的世界难题是制备高纯度半导体型单壁碳纳米管，获得大面积高度均一的结构与电学性质。

我国在高纯半导体型碳管生长与分离领域处于国际领先水平。北京大学张锦院士通过对催化剂设计实现了高密度半导体碳管的表面可控生长。同时，彭练矛院士团队和我们苏州纳米所团队实现了高纯度半导体碳管溶液的可控分离与宏量制备。李老师说道，“目前，半导体碳管的纯度从初的90%做到99%，99.9%……，现在已经做到 99.9999%。基于高纯半导体碳管，彭院士团队研制的高速逻辑集成电路、抗辐照集成电路、柔性集成电路芯片与高速射频器件等已超越了传统芯片性能。此外，我们团队还实现了纯度高于 90%单一结构半导体碳管的可控分离。”与凝胶色谱柱法、超高速离心法不同，我们发展了更简便的一步法分离技术，即通过分散剂分子结构的设计，将碳管分散与选择性分离实现了统一。该方法有利于实现大规模、高纯度半导体及手性碳纳米管材料的制备。面向碳纳米管集成电路芯片加工，大面积高取向、高均一性、高密度的碳管表面排列也是需要亟待解决的问题。目前已经实现了4英寸基片上碳管的取向排列。但取向密度和均匀度控制依然需求进一步优化。

在柔性器件应用方面：近年来，随着信息化、智能化、人机融合时代的到来，柔性电子器件的发展日新月异，正在给人们生活带来革命性的变化。李老师解释说：“碳纳米管可以组装成的多功能微纳结构，具有良好的柔性、新颖的光电性能、优异化学稳定性、热稳定性和光学透明性等优点，在柔性电子领域展现了极大的应用潜力。基于碳管薄膜技术研制了仿生电子皮肤、仿触觉、嗅觉、视觉等传感器、宽光谱探测器、柔性显示器件、柔性电热器件、多功能交互器件、类脑器件等新概念柔性电子器件，为可穿戴感知交互、医疗保健等领域发展注入了极大活力。”

碳纳米管柔性器件性能取决于加工技术创新。碳纳米管透明薄膜制备可以基于碳纳米管分散溶液或墨水技术，也可以基于干法制备技术。比如清华大学范守善老师团队发明了可纺丝碳纳米管阵列技术，将像蚕丝一样可拉伸的碳纳米管取向结构覆盖在基底材料上制备成碳纳米管透明导电薄膜，目前，该技术已成功实现了在手机触摸屏上的应用。此外，高导电碳纳米管薄膜可以通过浮动催化剂连续制备而成。通过对催化剂和碳源注入条件控制，可以获得高分子基底支撑的透明网络结构，也可以获得自支撑的超柔碳纳米管薄膜材料。透明网络结构可以用于碳膜晶体管制备、柔性传感器等。自支撑高导电碳膜可以用于柔性电池、柔性热控器件、以及结构功能一体化的柔性复合材料及智能材料。

碳纳米管在复合材料中应用：碳纳米管以其优越的力、电、热等性能在复合材料中具有十分巨大的应用前景。其主要应用优势，一方面作为优异改性添加剂，替代传统石墨或活性炭，降低添加剂的用量，使复合材料具有明显改善的导电、导热和力学增强作用。碳纳米管改性复合材料已在航天航空、交通运输（飞机抗静电、增强增韧游船）、体育健身（羽毛球拍、乒乓球拍）、纺织（抗静电、导热）等领域实现了规模应用。

另一方面，也是新材料产业高度关注的方向，即如何把碳纳米管加工成高性能纤维或薄膜材料，从而使碳纳米管复合材料超越传统碳纤维材料，在高端装备、高端防护、智能结构等领域发挥出更大的应用价值。目前美、日、欧在此方面产业推进力度较大，如日本已实现了碳纳米管新型耐高温橡胶材料，用于航空密封装备中。美国、英国、韩国在积极推动碳纳米管超级导体材料在轻量化导线与电缆领域的应用。NASA 一直在支持碳纳米管高性能复合材料制备及其在空天领域的应用，如低温氢氧储罐的制备等。此外，碳管应用有助于发展结构功能一体化复合结构材料。例如，可以把碳管薄膜加热模组应用于低温区的智能自加热，也可以应用于工业级的高温电加热，直接把柔软的碳管薄膜置于被加热设备上作为高温发热体，它瞬间可以达到上千度的温度。还 可以作为导电贴贴附在复合材料上，基于其电热效应特性用于机翼电加热除冰领域。其次，利用碳管的高导电特性可以制备一些轻薄的电磁屏蔽和吸波材料，例如应用于军用飞机的吸波涂层或者替代传统的金属薄膜用于电磁屏蔽，还可以将高导电、耐高温碳管结构作为表面功能蒙皮，用于抗雷击、抗烧蚀等应用。

在新能源领域应用：与石墨烯略有不同，碳纳米管未来应用优势在于其一维易组装结构及其高导电性能。随着新能源汽车的快速发展，碳纳米管导电浆料以其优越的性能优势成为动力电池正极和负极中必不可少的导电添加剂。2021年全球正极材料和负极材料对碳纳米管导电剂的需求量已分别达到8.1万吨和2.2万吨。预计至2025年全球碳纳米管需求量可达60万吨左右。此外，碳纳米管与石墨烯有望在大规模储能器件、太阳能板导电粘结剂、可穿戴电池电极、以及燃料电池扩散膜中发挥巨大优势。面向新能源技术强势需求，需要进一步解决高品质碳纳米管批量化制备与分散技术，特别是高长径比、高导电单壁碳纳米管的低成本规模制备与分散技术。目前单壁碳纳米管产业化一直被国外市场垄断，美国、日本、韩国、俄罗斯是主要产品供应商。中国需要尽快解决国产化技术，重塑在高端单壁碳纳米管材料市 场的话语权。近随着《三体》电视剧的播出，一种名为“纳米飞刃”的纳米材料引起了广泛关注，如同一根蚕丝细的它，却可以成为世界上锋利的刀。

其实，纳米飞刃的原型是碳纳米管。上世纪90年度出现，也被誉为“二十世纪神奇的纳米材料”之一。它由碳原子构成，其排布像一根细长的水管，跟金刚石和石墨的构造还是有着本质的区别，所以性能也存在巨大差异。

碳纳米管在众多领域上演着神奇的一幕。比如，可以在纳米尺度下让沸水成冰，比如拥有99.8%的电热转化效率，或许成为未来的“取暖神器”。

强度是钢铁的100倍，碳纳米管的优异性能也让众多玩家投身到它的研发和量产过程中。从近的情况看，碳纳米管项目的落地离我们越来越近，比如黑猫股份（002068）的碳纳米管项目预计2023年一季度产出产品，莱尔科技（688683）投资超过10亿元建设碳纳米管项目，预计产能3800吨，也是公司上市后大的投资项目。

不光是国内玩家，像LG化学这样的老牌巨头也高调宣布将建立第四座碳纳米管工厂，建成后总产能超过6100吨，看到一众玩家纷纷布局，让不少资本也赶来“报到”，彷佛碳纳米管势必将成为下一个风口。

事实真的是这样吗？碳纳米管作为一匹黑马，能否一黑到底，成为产业界的宠儿？

聊到碳纳米管，不得不说导电剂。作为锂电池中的重要物质，导电剂能提高电子的迁移速率，保证电池拥有良好的充放电性能。传统的导电剂主要是导电石墨和炭黑，而近些年随着一些技术难关被逐渐攻破，像碳纳米管这样的导电剂走上舞台。

从目前的产业化节奏来看，在碳纳米管中加入颗粒状导电剂，往往能使其性能产生1+1>2的导电效果。同时，受益于下游的高增长（2022年国内动力电池装车量已经接近300GWh，同比增逾九成，产量也增加了1.5倍），导电剂的整体出货量预计也只增不减。