市场洞察：超强导电，碳纳米管为何成为材料界新宠？

报告标签：碳纳米管、单壁碳纳米管、锂电池2025年3月 Q1：碳纳米管是什么？具有哪些独特性能？ ◼碳纳米管是一种新型材料，具有优异的力学性能、电学性能、热学性能和化学稳定性 强度为钢的 碳纳米管英文简称CNT，是单层或多层石墨片围绕中心轴并按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，是一种新型材料。其最早在1991年由饭岛澄男发现。碳纳米管的长径比、碳纯度作为影响导电性的两个核心指标，直接决定了碳纳米管的产品性能，碳纳米管管径越细，长度越长，导电性能越好。CNT具有突出的力学性能、电学性能、热学性能、和化学稳定性。 ≈100倍 力学性能：碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。按理论计算，碳纳米管的强度可为钢的100倍，而密度只有钢的1/6，杨氏模量是钢的近6倍。碳纳米管还有极高的韧性，硬而不脆，当外部施加巨大的压力时，碳纳米管会发生弯曲、打卷绞结的情况，却不会断裂；当外力释放后，碳纳米管又将恢复原状。 密度为钢的 ≈1/6 电学性能：碳纳米管具有良好的电学性能，碳纳米管的碳原子以正六边形的微观形式组成基础单元结构，这种结构下共轭效应显著，电子可以脱离单个碳原子的束缚而在较大范围内自由运动。理论上碳纳米管导电性能仅次于超导体。电子通过碳纳米管时不会产生热量，因此能量损失微小，其导电性能优于常规导电材料。 导热效率为金刚石的 热学性能：碳纳米管具有优异的导热性能，可以沿管长方向迅速传导热量。理论上碳纳米管是目前已知的最好的导热材料，其理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍。 ≈3～6倍 化学稳定性：碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能，可以应用于航天、航空、国防、军工等领域。 Q2：在商业用途中，哪种碳纳米管性能更优？ 真正的纳米级管径：单壁碳纳米管的管径小于2nm，而多壁碳纳米管的直径大于10nm，可达数百纳米。 高弹性：由于单壁碳纳米管通常具有较高的长度-直径比，具备更好的柔韧性，在不损坏结构的前提下，单壁碳纳米管相比多壁碳纳米管更易地恢复其原始结构。 优良的机械性能：单壁碳纳米管的抗拉强度和弹性模量较好，这一特性使得其适用于强化各种材料，包括聚合物复合材料。理论上，在聚合物复合材料中，达到各向同性分布的单壁碳纳米管的理想分散，每添加1%（质量比）的单壁碳纳米管，可使抗拉强度提高100MPa。在实践中，达到要求的机械性能提升所需单壁碳纳米管的剂量，可以低至0.2%（质量比）。 添加量少、导电性强：由于单壁碳纳米管长度-直径比较高，其能够在极低添加量下形成三维导电网络。同时，单壁碳纳米管有一层碳原子，并根据空间的螺旋特性可表现出金属或半导体性能。其强大的碳-碳共轭键，金属特性的单壁碳纳米管的电流密度，比铜等金属的电流密度大1000倍以上。 制成品颜色多样：多壁碳纳米管通过提高添加量来改善机械性能和导电性，这会影响产品表面质量和颜色，如其只能生产黑色材料。由于单壁碳纳米管添加量普遍在0.01-0.1%，因而能够生产任何颜色以及透明导电材料。 Q3：单壁碳纳米管可以广泛应用到哪些领域？ ◼单壁碳纳米管广泛应用于结构材料、复合材料、增强塑料、工业涂料、汽车轮胎、新能源、橡胶工业、医疗及生物工程、环保等领域。 结构材料方面：在沥青、沥青混凝土和金属基复合材料等材料中，单壁碳纳米管可使材料的结构特征得以保持，同时提供改善性能的表现。 复合材料方面：单壁碳纳米管的使用集中在替代能源和基础设施(管道、建筑结构单元)、以及汽车和飞机结构材料等应用。 增强塑料方面：单壁碳纳米管的使用主要是通过减轻所有汽车部件的重量来减少燃料投入或电池用量；以及满足航空航天工业需要能够抵抗极端条件和负载的材料需求。 工业涂料方面：单壁碳纳米管被用作底漆和油漆的多功能添加剂，用于汽车涂层（车身、飞机、船体等）、设备(电器和家用电器)和储罐/器皿，以及生产线上的防静电地板。在工业涂料市场中，单壁碳纳米管可应用于50%以上的产品中。 汽车轮胎方面：单壁碳纳米管应用于轮胎中，可以显著提高轮胎的硬度、抗撕裂性、燃油效率和抓地力。据估计，单壁碳纳米管在高级轮胎领域的潜在应用为30%，在标准轮胎领域的应用约为10%。 电化学电源方面：可显著提升电池的各项性能。该市场多用于电动汽车、笔记本电脑和移动电话等应用的锂离子电池以及碱性电池。单壁碳纳米管添加到电池电极中，可以显著改善直接影响电源使用寿命的目标参数，如能量密度和循环稳定性。 橡胶工业方面：单壁碳纳米管为基于各类橡胶、有机硅和热塑性弹性体的产品提供了技术优势。在改善橡胶复合材料的强度和弹性性能的同时，单壁碳纳米管也允许保留并在某些情况下增强其他重要的性能：如邵氏硬度、内聚力、动态强度、耐磨性、减少迟滞损耗和保持产品颜色。单壁碳纳米管有用于约1/3橡胶工业制品的潜力。 其他：单壁碳纳米管解决方案应用于危险气体和毒素探测器，以及气体和液体的过滤系统，预计可应用于3～5%的产品；在生物医疗领域，可作为生物传感器和医疗设备的组件，用作导管和神经系统植入物的涂层；在电子领域，可广泛应用于如智能纺织品、晶体管、射频识别（RFID）（电子标签）芯片、信息存储设备、集成电路、17互补金属氧化物半导体（CMOS）电池等领域。 Q4：碳纳米管在锂电池领域的应用有何亮点？ ◼提升电极导电性 在锂电池电极中，活性物质的电子传导能力直接影响着电池的充放电性能。碳纳米管的加入，就像是在电极内部搭建了一条条高效的“电子高速公路”。由于其优异的导电性，可以与活性物质紧密接触，形成良好的导电网络，大大提高电子在电极中的传输速度。这意味着在电池充放电过程中，电子能够更快速地在电极中移动，从而降低电池的内阻，提高电池的充放电效率。例如，在一些以磷酸铁锂为正极材料的锂电池中，添加适量的碳纳米管后，电池的充电时间明显缩短，放电容量也得到显著提升。 ◼增强电极结构的稳定性 锂电池在充放电过程中，电极材料会发生体积变化，这种反复的体积膨胀和收缩容易导致电极结构的破坏，从而影响电池的循环寿命。碳纳米管凭借其高机械强度和柔韧性，可以在电极中起到“骨架”的支撑作用，有效缓冲活性物质在充放电过程中的体积变化，防止活性物质的脱落和团聚，保持电极结构的完整性。以硅基负极材料为例，硅在嵌锂过程中体积膨胀可达400%以上，这使得硅基负极材料的循环稳定性很差。而当在硅基负极中引入碳纳米管后，碳纳米管可以均匀分散在硅颗粒周围，形成一个稳定的三维网络结构，有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，大大提高硅基负极的循环寿命。 ◼改善电解液的离子传输性能 碳纳米管的纳米级通道可以为锂离子的传输提供快速通道，增加锂离子在电解液中的扩散系数，从而提高电池的充放电倍率性能。此外，碳纳米管还可以与电解液中的其他添加剂相互作用，形成稳定的界面膜，提高电池的稳定性和安全性。 来源：天奈科技、芯辉绿能、头豹研究院 Q5：快充趋势和经济性驱动下，碳纳米管在锂电池领域的渗透率是否能迎来拐点？ ◼20-24年中国碳纳米管复合增速明显跑输锂电池 2020年中国碳纳米管浆料市场规模在4.8万吨，到2024年增长至14.5万吨，4年复合增速32%。2020年中国锂电池出货量143GWh，到2024年增长至1,175GWh，4年复合增速69%。2020-2024年中国碳纳米管复合增速明显跑输锂电池。 ◼电动车快充趋势驱动下，碳纳米管在锂电池领域的渗透率有望提升 充电慢、充电不便是当前用户选择购买电动汽车的主要顾虑。提升充电速率成为电动车性能提升新的发力点。电动车发展的核心痛点是里程焦虑，快充可有效满足即充即走场景下的补能需求。2024年5C电池被理想应用到车上。5C电池峰值充电电流700安，峰值充电功率520千瓦，能实现充电12分钟续航500公里。鸿蒙智行在尊界产品上搭载了宁德时代研发的6C电池，其65度电池包可在10.5分钟内将电量从10%充至80%。 以碳纳米管为代表的导电剂可提升锂电池的倍率性能即快充水平。导电剂是锂电池的一种关键辅材，可以增加活性物质之间的导电接触，提升锂电池中电子在电极中的传输速率，从而提升锂电池的倍率性能和改善循环寿命。锂电池目前常用的导电剂主要包括炭黑类、导电石墨类、VGCF、碳纳米管以及石墨烯等，其中碳纳米管导电性能优异。 ◼锂电池导电剂中，碳纳米管较炭黑有望出现经济性，从而推动碳纳米管渗透率提升 碳纳米管和炭黑作为导电剂的差异主要在于添加量和价格，碳纳米管添加量小但成本高，炭黑反之。天奈科技为中国碳纳米管市占率排名第一的企业，其碳纳米管的价格具有行业代表性。据天奈科技年报数据，2020年其碳纳米管浆料均价在3.13万元/吨，2023年下降至2.47万元/吨，降幅21%。2024年前三季度天奈科技营收10.40亿元，碳纳米管浆料出货量5.9万吨，计算其碳纳米管浆料均价约1.76万元/吨。随着碳纳米管价格的逐渐下探，其在锂电池领域的应用成本逐具经济性，碳纳米管在锂电池领域的渗透率有望不断提升。 方法论 ◆头豹研究院布局中国市场，深入研究19大行业，持续跟踪532个垂直行业的市场变化，已沉淀超过100万行业研究价值数据元素，完成超过1万个独立的研究咨询项目。 ◆研究院依托中国活跃的经济环境，研究内容覆盖整个行业的发展周期，伴随着行业中企业的创立，发展，扩张，到企业走向上市及上市后的成熟期，研究院的各行业研究员探索和评估行业中多变的产业模式，企业的商业模式和运营模式，以专业的视野解读行业的沿革。 ◆研究院融合传统与新型的研究方法，采用自主研发的算法，结合行业交叉的大数据，以多元化的调研方法，挖掘定量数据背后的逻辑，分析定性内容背后的观点，客观和真实地阐述行业的现状，前瞻性地预测行业未来的发展趋势，在研究院的每一份研究报告中，完整地呈现行业的过去，现在和未来。 ◆研究院密切关注行业发展最新动向，报告内容及数据会随着行业发展、技术革新、竞争格局变化、政策法规颁布、市场调研深入，保持不断更新与优化。 ◆研究院秉承匠心研究，砥砺前行的宗旨，从战略的角度分析行业，从执行的层面阅读行业，为每一个行业的报告阅读者提供值得品鉴的研究报告。 法律声明 ◆本报告著作权归头豹所有，未经书面许可，任何机构或个人不得以任何形式翻版、复刻、发表或引用。若征得头豹同意进行引用、刊发的，需在允许的范围内使用，并注明出处为“头豹研究院”，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节或修改。 ◆本报告分析师具有专业研究能力，保证报告数据均来自合法合规渠道，观点产出及数据分析基于分析师对行业的客观理解，本报告不受任何第三方授意或影响。 ◆本报告所涉及的观点或信息仅供参考，不构成任何投资建议。本报告仅在相关法律许可的情况下发放，并仅为提供信息而发放，概不构成任何广告。在法律许可的情况下，头豹可能会为报告中提及的企业提供或争取提供投融资或咨询等相关服务。本报告所指的公司或投资标的的价值、价格及投资收入可升可跌。 ◆本报告的部分信息来源于公开资料，头豹对该等信息的准确性、完整性或可靠性不做任何保证。本文所载的资料、意见及推测仅反映头豹于发布本报告当日的判断，过往报告中的描述不应作为日后的表现依据。在不同时期，头豹可发出与本文所载资料、意见及推测不一致的报告和文章。头豹不保证本报告所含信息保持在最新状态。同时，头豹对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，读者应当自行关注相应的更新或修改。任何机构或个人应对其利用本报告的数据、分析、研究、部分或者全部内容所进行的一切活动负责并承担该等活动所导致的任何损失或伤害。 头豹业务合作 定制报告 数据库/会员账号 定制白皮书 行企研究多模态搜索引擎及数据库，募投可研、尽调、IRPR等研究咨询 可阅读全部原创报告和百万数据，提供数据库API接口服务 对产业及细分行业进行现状梳理和趋势洞察，输出全局观深度研究报告 市场地位确认 招股书引用 行研训练营 对客户竞争优势进行评估和调研确认，