Mnogi zaposlenici u istraživanju i razvoju materijala ostaju zatečeni kada vide ponudu za jedno-stijene ili poluvodičke ugljikove nanocijevi dok traže uzorke iz opskrbnog lanca. Oboje su crni prah, pa zašto ugljikove nanocijevi s više{2}}stjenkama koštaju samo nekoliko desetaka RMB po kilogramu, dok visoko{3}}kvalitetne-ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom ili poluvodičke ugljikove nanocijevi mogu koštati nekoliko tisuća ili čak desetaka tisuća RMB po gramu? Zašto su visokokvalitetne ugljične nanocijevi (jedno-zidne/poluvodičke) tako skupe?
1. Jednostruke-stjenke u odnosu na-višestruke stijenke: iste ugljikove nanocijevi, sto-struka razlika u cijeni
Cijena ugljikovih nanocijevi s jednom stijenkom (SWCNT) obično je više od 100 puta veća od cijene ugljikovih nanocijevi s više stijenki (MWCNT). Obične cijevi s više-stjenkama koštaju 60 000-500 000 RMB/toni, dok cijevi s jednom stijenkom mogu doseći 6 do 20 milijuna RMB/toni.
Što ovo znači? Jedan kilogram visoko{0}}kvalitetnog praha ugljične nanocijevi s jednom-stjenkom prodaje se za 6.000-20.000 RMB -, što je otprilike jednako cijeni obiteljskog automobila srednje klase. Nije ni čudo što ga u svijetu materijala nazivaju "crnim zlatom".
| Dimenzija usporedbe | Ugljikove nanocijevi s više{0}}stjenkama (MWCNT) | Ugljične nanocijevi s jednom-stjenkom (SWCNT) |
|---|---|---|
| Promjer cijevi | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Prodajna cijena | 100.000-200.000 RMB/toni | 6.000.000-20.000.000 RMB/tona |
| Provodna učinkovitost | Zahtijeva 0,5%+ dodatak | Već 0,03% može postići značajne rezultate |
| Pozicioniranje aplikacije | Industrijski radni konj,{0}}prioritet isplativosti | Kralj nanomaterijala, vrhunska izvedba |
2. Odakle dolazi trošak? Tri veze "Money-Burning".
Nebo-visoka cijena ugljičnih nanocijevi s jednom-stijenkom dolazi od trostrukog sloja "teške pripreme, teškog odvajanja i niskog proizvodnog kapaciteta." Svaka karika zahtjeva izuzetno visoka tehnička i oprema ulaganja.
2.1 Priprema: Atomska-razina "Kontrola preciznosti"
Učinkovitost ugljikovih nanocijevi ovisi o njihovoj kiralnosti (kutu kotrljanja) i promjeru. Promjer ugljičnih nanocijevi s jednom-stjenkom je samo 1-2 nanometra. Uzgoj tako tankih cijevi na katalizatorima zahtijeva izuzetno visoku kontrolu temperature, protoka izvora ugljika i omjera katalizatora.
Iako se trenutna CVD metoda (kemijsko taloženje iz pare) može koristiti za industrijsku proizvodnju, sintetizirani proizvod neizbježno sadrži mješavinu metalnih i poluvodičkih ugljikovih nanocijevi. Drugim riječima, proces rasta ne razlikuje - obje vrste rastu zajedno i nemoguće je "proizvesti samo onu vrstu koju želite."
Iz perspektive strukture troškova, troškovi sirovina čine 40-60% ukupnih troškova proizvodnje ugljikovih nanocijevi. Jedno{3}}cijevi imaju strože zahtjeve za čistoću izvora ugljika i katalizatore, s troškovima sirovina koji daleko premašuju one za cijevi s više stijenki.
2.2 Odvajanje i pročišćavanje: branje "zlatnog graha" iz "miješanog lonca"
Ovo je poveznica koja najviše pridonosi "premium" ugljikovih nanocijevi s jednom-stjenkom. Za izradu elektroničkih uređaja kao što su tranzistori moraju se koristiti poluvodičke ugljikove nanocijevi s jednom-stijenkom - metalne cijevi bi uništile značajke prebacivanja tranzistora.
No problem je u tome što učinkovito odvajanje poluvodičkih i metalnih ugljikovih nanocijevi od smjesa ostaje izazov-svjetske klase. Uobičajene metode uključuju centrifugiranje s gradijentom gustoće, elektroforetsko odvajanje i selektivnu funkcionalizaciju. Ove su metode ili glomazne s niskim prinosom ili su iznimno skupe i teške za skaliranje.
Nacionalni -projekt TFT ispisa ugljikovih nanocijevi pokazuje da se nakon složenih procesa pročišćavanja mogu pripremiti poluvodičke ugljikove nanocijevi čistoće veće od 99,997% -, ali postizanje ove razine čistoće ima iznimno visoku cijenu u smislu složenosti procesa i ulaganja vremena.
2.3 Tržišni krajolik: nekoliko igrača monopolizira opskrbu
Oskudica podiže cijenu. Trenutno samo OCSiAl drži približno 90% globalnog tržišnog udjela ugljičnih nanocijevi s jednom stijenkom, s postojećim proizvodnim kapacitetom od oko 100 tona. U zemlji, Tianneng Technology napreduje u izgradnji proizvodnog kapaciteta od 150 tona.
Što se tiče potražnje, globalno tržište ugljičnih nanocijevi s jednom-zidom brzo se širi uz ukupnu godišnju stopu rasta od 49,5%. Neravnoteža ponude-potražnje dodatno podupire visoku cijenu.
3. Zašto je "skup", a ipak vrijedan? Izvedba je krajnja crta
Ultra{0}}visoka cijena ugljičnih nanocijevi s jednom-stjenkom podržana je njihovom daleko boljom vodljivošću, mehaničkim svojstvima i toplinskom vodljivošću u usporedbi s cijevima s više-stjenkama.
Je li cijena visoka ili ne ovisi o "-isplativosti." Koliko su sposobne jedno{2}}ugljične nanocijevi?
| Indikator izvedbe | Ugljične nanocijevi s jednom-stjenkom (SWCNT) | Ugljikove nanocijevi s više{0}}stjenkama (MWCNT) |
|---|---|---|
| Modul elastičnosti | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Vlačna čvrstoća | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Toplinska vodljivost | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Minimalna količina vodljivog aditiva | 0.01% | 0.5% |
Uzimajući za primjer primjene litijskih baterija: u LFP katodama, ugljične nanocijevi s više-stjenkama zahtijevaju dodatak od 0,9% da bi se postigla volumna otpornost od 13,80 Ω·cm. Ugljične nanocijevi s jednom stijenkom zahtijevaju samo 0,03% (1/30 MWCNT) za postizanje nižeg otpora od 4,77 Ω·cm.
Razmak je još izraženiji u silicijskim anodnim sustavima: MWCNT zahtijevaju dodatak od 3% za otpornost od 0,78 Ω·cm; SWCNT-ovi zahtijevaju samo 0,3% (1/10), smanjujući otpornost na 0,75 Ω·cm.
To znači: iako je jedinična cijena SWCNT-a visoka, potrošnja je iznimno niska. U vrhunskim- formulacijama baterija ukupni trošak ne mora nužno biti veći od korištenja MWCNT-a.
4. Novi materijal Shandong Tanfeng: Istraživanje lokalizacije visoko-kvalitetnih SWCNT-ova
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. aktivno promiče lokalizaciju visoko-kvalitetnih ugljikovih nanocijevi. Njegovi proizvodi serije TF pokrivaju jedno-zidne/više-stjejne ugljikove nanocijevi čistoće veće od ili jednake 98%, što predstavlja značajnu snagu u razbijanju "monopola visokih-cijena."
Osnovni razlog visoke cijene je tehnička prepreka. Razbijanje monopola zahtijeva domaću zamjenu - upravo ono što Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. radi.
Shandong Tanfeng New Material, zahvaljujući vlastitom-razvijenom visoko-učinkovitom sustavu katalizatora protiv-sinteriranja i kontinuiranim procesima pročišćavanja, značajno je poboljšao prinos ugljičnih nanocijevi s jednom-stjenkom i smanjio ostatke nečistoća. To je moćan proizvođač izvora koji potiče smanjenje troškova za-kabonske cijevi visoke klase. Kao domaći izvorni proizvođač duboko ukorijenjen u materijale na bazi ugljika, probija ovu cjenovnu barijeru iz sljedeće tri dimenzije:
Proboj u tehnologiji protiv-sinteriranja katalizatora:Tanfeng New Material koristi poseban podržani katalizator koji učinkovito inhibira sinteriranje na visokim-temperaturama tijekom rasta ugljične nanocijevi s jednom-stijenkom, produžujući životni vijek katalizatora za više od 3 puta i povećavajući makroskopski prinos rasta SWCNT-a na više od 20%, smanjujući troškove materijala na izvoru.
Kontinuirani proces pročišćavanja i uklanjanja nečistoća:Ciljajući na velike količine amorfnog ugljika i metalnih ostataka u sirovim SWCNT proizvodima, Shandong Tanfeng je napustio neučinkovito šaržno ispiranje kiselinom i razvio opremu za kontinuirano protustrujno pročišćavanje. Bez oštećenja SWCNT-a, kontrolira sadržaj pepela unutar 2%, postižući-vodeću čistoću u industriji i značajno smanjujući naknadne troškove obrade kupaca.
Promicanje odvajanja-poluvodičkih SWCNT-a u velikim razmjerima: 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%) po cijenama samo 50% uvezenih proizvoda, nudeći visoko{2}}isplativu domaću alternativu za komercijalnu primjenu fleksibilnih senzora i vrhunskih-anti-antistatičkih premaza.
"Nebesko{0}}visoka cijena" visoko{1}}kvalitetnih ugljičnih nanocijevi s jednom-stijenkom rezultat je kombinacije četiriju čimbenika: procesa pripreme na-atomskoj razini, izazova-odvajanja svjetske klase, oligopolističke tržišne strukture i vrhunskih performansi. Kako domaća poduzeća - uključujući kineske snage kao što je Shandong Tanfeng New Material - nastavljaju unapređivati lokalizaciju ugljičnih nanocijevi s jednom-stijenkom, očekuje se da će cijena ugljikovih nanocijevi visoke-kvalitete postupno padati u budućnosti. Za poduzeća s visoko{11}}potrebnim aplikacijama, sada je najbolje vrijeme za uvođenje visoko{12}}ugljikovih nanocijevi domaće proizvodnje za nadogradnju formulacije i smanjenje troškova uz poboljšanje učinkovitosti.