Mnoho pracovníkov výskumu a vývoja materiálov je zaskočených, keď vidia cenovú ponuku na jednostenné alebo polovodičové uhlíkové nanorúrky pri požadovaní vzoriek od dodávateľského reťazca. Obidva sú čiernym práškom, tak prečo viac{2}}stenové uhlíkové nanorúrky stoja len niekoľko desiatok RMB za kilogram, zatiaľ čo vysoko-kvalitné jedno{4}}stenové alebo polovodičové uhlíkové nanorúrky môžu stáť niekoľko tisíc alebo dokonca desaťtisíce RMB za gram? Prečo sú-kvalitné uhlíkové nanorúrky (jednostenné{6}}polovodičové) také drahé?
1. Jednostenné-steny vs. viacnásobné-stenové: rovnaké uhlíkové nanorúrky, sto{4}}násobný rozdiel v cene
Cena jednostenných uhlíkových nanorúrok (SWCNT) je zvyčajne viac ako 100-krát vyššia ako cena viac{2}}stenových uhlíkových nanorúrok (MWCNT). Bežné viacvrstvové-rúry stoja 60 000-500 000 RMB/tona, zatiaľ čo jednostenné rúry môžu dosiahnuť 6 až 20 miliónov RMB/tonu.
čo to znamená? Jeden kilogram vysoko{0}}kvalitného jednostenného{1}}prášku z uhlíkových nanorúriek sa predáva za 6 000-20 000 RMB -, čo je približne ekvivalent ceny rodinného auta strednej triedy. Niet divu, že sa mu vo svete materiálov hovorí „čierne zlato“.
| Porovnávacia dimenzia | Viac{0}}stenové uhlíkové nanorúrky (MWCNT) | Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT) |
|---|---|---|
| Priemer rúrky | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Predajná cena | 100 000 – 200 000 RMB/tona | 6 000 000 – 20 000 000 RMB/tona |
| Vodivá účinnosť | Vyžaduje 0,5%+ pridanie | Už 0,03 % môže dosiahnuť významné výsledky |
| Umiestnenie aplikácie | Priemyselný ťahúň, priorita-nákladovej efektívnosti | Kráľ nanomateriálov, maximálny výkon |
2. Odkiaľ pochádzajú náklady? Tri odkazy na-napaľovanie peňazí
Nebeská{0}}vysoká cena jednostenných uhlíkových nanorúriek pochádza z trojitého prekrytia „ťažkej prípravy, ťažkej separácie a nízkej výrobnej kapacity“. Každý odkaz si vyžaduje mimoriadne vysoké technické investície a investície do vybavenia.
2.1 Príprava: Atómová-úroveň „Presné riadenie“
Výkon uhlíkových nanorúrok závisí od ich chirality (uhol valcovania) a priemeru. Priemer jednostenných uhlíkových nanorúrok je iba 1 až 2 nanometre. Pestovanie takýchto tenkých rúrok na katalyzátoroch vyžaduje extrémne vysokú kontrolu teploty, prietoku zdroja uhlíka a pomeru katalyzátora.
Aj keď súčasná metóda CVD (chemická depozícia z plynnej fázy) môže byť použitá pre priemyselnú výrobu, syntetizovaný produkt nevyhnutne obsahuje zmes kovových a polovodivých uhlíkových nanorúriek. Inými slovami, proces rastu nerozlišuje - oba typy rastú spolu a nie je možné „produkovať iba typ, ktorý chcete“.
Z hľadiska štruktúry nákladov predstavujú náklady na suroviny 40-60 % celkových nákladov na výrobu uhlíkových nanorúrok. Jednostenné rúrky{3}} majú prísnejšie požiadavky na čistotu zdroja uhlíka a katalyzátory, pričom náklady na suroviny ďaleko prevyšujú náklady na viacstenné rúrky.
2.2 Separácia a čistenie: Výber „zlatých fazúľ“ zo „zmiešaného hrnca“
Toto je prepojenie, ktoré najviac prispieva k „prémii“ jednostenných uhlíkových nanorúriek. Na výrobu elektronických zariadení, ako sú tranzistory, sa musia použiť polovodivé jednostenné uhlíkové nanorúrky -, ktoré by zničili spínacie charakteristiky tranzistorov.
Problém je však v tom, že efektívne oddeľovanie polovodičových a kovových uhlíkových nanorúriek zo zmesí zostáva celosvetovou-výzvou. Bežné metódy zahŕňajú centrifugáciu v hustotnom gradiente, elektroforetickú separáciu a selektívnu funkcionalizáciu. Tieto metódy sú buď ťažkopádne s nízkym výťažkom, alebo extrémne nákladné a ťažko škálovateľné.
Národný{0}}projekt TFT s potlačou uhlíkových nanorúriek ukazuje, že po zložitých procesoch čistenia možno pripraviť polovodičové uhlíkové nanorúrky s čistotou vyššou ako 99,997 % -, ale dosiahnutie tejto úrovne čistoty si vyžaduje mimoriadne vysoké náklady z hľadiska zložitosti procesu a časovej investície.
2.3 Krajina trhu: Niekoľko hráčov monopolizuje ponuku
Nedostatok zvyšuje cenu. V súčasnosti má len OCSiAl približne 90 % celosvetového podielu na trhu s jednostennými uhlíkovými nanorúrkami s existujúcou výrobnou kapacitou približne 100 ton. V domácom prostredí Tianneng Technology napreduje vo výstavbe 150 ton výrobnej kapacity.
Čo sa týka dopytu, celosvetový trh s jednostennými uhlíkovými nanorúrkami rýchlo expanduje so zloženou ročnou mierou rastu 49,5 %. Nerovnováha-dopytu ponuky ďalej podporuje vysokú cenu.
3. Prečo je to „drahé“ a predsa cenné? Výkon je základom
Mimoriadne{0}}vysoká cena jednostenných uhlíkových nanorúriek je podporená ich oveľa lepšou vodivosťou, mechanickými vlastnosťami a tepelnou vodivosťou v porovnaní s viac{2}}stenovými trubicami.
Či je cena vysoká alebo nie, závisí od „nákladovej{0}efektívnosti“. Ako schopné sú jednostenné uhlíkové nanorúrky?
| Ukazovateľ výkonu | Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT) | Viac{0}}stenové uhlíkové nanorúrky (MWCNT) |
|---|---|---|
| Modul pružnosti | 1000-3000 GPa | 300-1000 GPa |
| Pevnosť v ťahu | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Tepelná vodivosť | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Minimálne množstvo vodivej prísady | 0.01% | 0.5% |
Vezmime si ako príklad aplikácie lítiových batérií: V katódach LFP vyžadujú viacvrstvové uhlíkové nanorúrky 0,9 % na dosiahnutie objemového odporu 13,80 Ω·cm. Jednostenné uhlíkové nanorúrky vyžadujú iba 0,03 % (1/30 MWCNT), aby dosiahli nižší odpor 4,77 Ω·cm.
Medzera je ešte výraznejšia v systémoch s kremíkovou anódou: MWCNT vyžadujú pridanie 3 % pre merný odpor 0,78 Ω·cm; SWCNT vyžadujú iba 0,3 % (1/10), čím sa odpor znižuje na 0,75 Ω·cm.
To znamená: hoci jednotková cena SWCNT je vysoká, množstvo použitia je extrémne nízke. Vo vyšších-batériách nemusia byť celkové náklady nevyhnutne vyššie ako pri použití MWCNT.
4. Nový materiál Shandong Tanfeng: Skúmanie lokalizácie-kvalitných SWCNT
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. aktívne propaguje lokalizáciu-kvalitných uhlíkových nanorúriek. Jej produkty série TF pokrývajú jedno{4}}stenové/viacstenné{5}}uhlíkové nanorúrky s čistotou 98 % alebo viac, čo predstavuje významnú silu pri prelomení „vysokého-monopolu cien“.
Základným dôvodom vysokej ceny je technická bariéra. Prelomenie monopolu si vyžaduje domácu substitúciu - presne to, čo robí Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Nový materiál Shandong Tanfeng vďaka svojmu vlastnému -vyvinutému vysoko{1}}účinnému katalyzátorovému systému proti spekaniu- a kontinuálnym procesom čistenia výrazne zlepšil výťažok jednostenných uhlíkových nanorúriek a znížil výskyt zvyškov nečistôt. Je to výkonný výrobca zdrojov, ktorý vedie k znižovaniu nákladov na karbónové elektrónky vyššej kategórie-. Ako domáci výrobca zdrojov, ktorý je hlboko zakorenený v uhlíkových-materiáloch, prekonáva túto cenovú bariéru z nasledujúcich troch dimenzií:
Prelom v technológii Catalyst Anti{0}}Sintering:Tanfeng New Material využíva špeciálny podporovaný katalyzátor, ktorý účinne inhibuje vysokoteplotné spekanie počas rastu jednostenných uhlíkových nanorúrok, čím sa predlžuje životnosť katalyzátora viac ako 3-krát a zvyšuje sa makroskopický výťažok rastu SWCNT na viac ako 20 %, čím sa znižujú náklady na materiál pri zdroji.
Proces nepretržitého čistenia a odstraňovania nečistôt:Spoločnosť Shandong Tanfeng, ktorá sa zameriava na veľké množstvo amorfného uhlíka a kovových zvyškov v surových produktoch SWCNT, opustila neefektívne dávkové premývanie kyselinou a vyvinula zariadenie na kontinuálne protiprúdové čistenie. Bez poškodenia SWCNT kontroluje obsah popola v rámci 2 %, čím dosahuje-poprednú úroveň čistoty a výrazne znižuje následné náklady na spracovanie u následných zákazníkov.
Propagácia{0}}veľkého oddelenia 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 len 50 % dovážaných produktov, čo ponúka vysoko nákladovo-efektívnu domácu alternatívu pre komerčné použitie flexibilných snímačov a špičkových-anti{4}}statických povlakov.
„Nebeská{0}}vysoká cena“ vysokokvalitných-jednostenných uhlíkových nanorúriek{2}}sú výsledkom štyroch kombinovaných faktorov: procesov prípravy na atómovej-úrovni, problémov so separáciou svetovej-triedy, oligopolnej štruktúry trhu a prémií za maximálny výkon. Keďže domáce podniky - vrátane čínskych síl ako Shandong Tanfeng New Material - pokračujú v napredovaní v lokalizácii jednostenných uhlíkových nanorúriek-, očakáva sa, že cena vysoko{9}}kvalitných uhlíkových nanorúriek bude v budúcnosti postupne klesať. Pre podniky s potrebami špičkových{11}}aplikácií je teraz ten najlepší čas na zavedenie vysokokvalitných uhlíkových nanorúriek domácej výroby{12}} na zlepšenie zloženia a zníženie nákladov so zvýšením účinnosti.