Introducción detallada de los nanotubos de carbono: método de preparación y desarrollo
Es beneficioso mejorar la densidad energética de la batería de iones de litio, mejorar el rendimiento del ciclo de vida de la batería, y se espera que acelere la sustitución de los agentes conductores tradicionales. Este artículo le llevará a aprender más sobre nanotubos de carbono.
Qué son los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono (CNT) son un nanomaterial unidimensional típico. El nanotubo de carbono es un isótopo del carbono cristalino, cuya estructura es la de un nanotubo hueco unidimensional en forma de panal, en el que los átomos C-C están hibridizados sp2 para formar enlaces covalentes.
Según el número de paredes del nanotubo de carbono, puede dividirse en nanotubo de carbono de pared simple (SWCNT) y nanotubo de carbono de pared múltiple (MWCNT). Según las características estructurales del nanotubo de carbono, puede dividirse en tres tipos: sillón, zigzag y espiral. Los nanotubos de carbono helicoidales tienen quiralidad, mientras que los nanotubos de carbono en zigzag y en silla de brazos no tienen quiralidad.
Ventajas de rendimiento de los nanotubos de carbono
● Máxima resistencia específica:
El enlace covalente que une los átomos de carbono en el nanotubo de carbono es el enlace químico más estable de la naturaleza. El nanotubo de carbono tiene una resistencia a la tracción y un módulo elástico extremadamente altos. Al mismo tiempo, la densidad del nanotubo de carbono es sólo 1/6 de la del acero, que es el material con mayor resistencia específica que puede prepararse en la actualidad.
● Gran flexibilidad:
El nanotubo de carbono es fuerte pero no quebradizo. Cuando se dobla el nanotubo de carbono o se aplica presión sobre él en dirección axial, el nanotubo de carbono no se rompe aunque la fuerza externa supere el límite de resistencia de Euler o la resistencia a la flexión, sino que primero se produce una flexión de gran ángulo y, cuando se libera la fuerza externa, el nanotubo de carbono vuelve a su forma original.
● Buena conductividad:
La estructura del nanotubo de carbono es la misma que la estructura en láminas del grafito y tiene una buena conductividad eléctrica. La resistencia del nanotubo de carbono no tiene nada que ver con su longitud y diámetro, los electrones que pasan a través del nanotubo de carbono no generan calor para calentar el nanotubo de carbono. La transmisión de electrones en el nanotubo de carbono es como la transmisión de señales luminosas en el cable de fibra óptica, y la pérdida de energía es pequeña, y es un excelente conductor de baterías.
● Buen rendimiento de almacenamiento de hidrógeno:
El propio nanotubo de carbono tiene una elevada superficie específica y, tras ser tratado, posee una excelente capacidad de almacenamiento de hidrógeno.
● Propiedades superiores de intercalación de litio:
El lumen hueco de los nanotubos de carbono, los huecos entre tubos, los huecos entre capas en la pared del tubo y diversos defectos en la estructura del tubo proporcionan abundante espacio de almacenamiento y canales de transporte para los iones de litio.
● Estabilidad química:
Los nanotubos de carbono son químicamente estables y resistentes a ácidos y álcalis. Añadir nanotubos de carbono a los compuestos poliméricos puede mejorar la resistencia a los ácidos y a la oxidación de los propios materiales.
Aplicación de los nanotubos de carbono
Desde el punto de vista de la cadena industrial de los nanotubos de carbono, la cadena industrial ascendente es la industria petroquímica, y las principales materias primas son el propileno, el NMP y los dispersantes. Los agentes conductores de nanotubos de carbono intermedios incluyen principalmente la pasta conductora y el masterbatch conductor, que se utilizan en baterías de litio y empresas químicas, respectivamente.
Tiene excelentes propiedades de alta resistencia y alta conductividad eléctrica y térmica. Sus aplicaciones posteriores abarcan principalmente los campos de la industria automovilística de nuevas energías, la industria digital 3C, la industria de semiconductores, las centrales eléctricas de almacenamiento de energía y las infraestructuras energéticas, así como las empresas de plásticos conductores de las empresas químicas.
La demanda de aplicaciones comerciales a gran escala de nanotubos de carbono procede principalmente de los campos de las baterías de litio y los plásticos conductores, de los cuales más de 80% de la demanda procede de las baterías de litio. Los nanotubos de carbono y el grafeno son nuevos materiales conductores. El nanotubo de carbono forma una red conductora de contacto lineal entre materiales activos, y el grafeno forma una red conductora de contacto superficial entre materiales activos.
Según la proporción de la estructura de la demanda descendente de nanotubos de carbono, la industria de servicios de baterías de litio representa una proporción relativamente elevada, alcanzando las 86%; las empresas de plásticos conductores representan una proporción relativamente baja, con sólo 14%.
Método de preparación de nanotubos de carbono
Existen tres métodos principales de síntesis de nanotubos de carbono: el método de descarga de arco, el método de evaporación por láser y el método de deposición química de vapor. Entre ellos, el método de descarga de arco tiene una alta temperatura de reacción, una rápida tasa de crecimiento de nanotubos de carbono, y los parámetros de preparación no son fáciles de controlar, por lo que es difícil controlar su estructura fina.
Debido a lo caro y complicado del equipo, el método de evaporación por láser se utiliza menos en la actualidad. La deposición química en fase vapor (CVD) consiste en descomponer compuestos que contienen carbono para obtener fuentes de carbono y, a continuación, realizar el crecimiento de nanotubos de carbono bajo la acción de catalizadores metálicos. Este método tiene una baja temperatura de crecimiento, un fácil ajuste de los parámetros, un alto rendimiento del producto y una gran pureza del carbono, y es actualmente la tecnología más utilizada en la industria.
Método del arco
El método del arco es el más antiguo utilizado para preparar nanotubos de carbono, y también el más importante. Su técnica principal consiste en: llenar un recipiente al vacío con gas inerte o hidrógeno a cierta presión, y utilizar grafito dopado con catalizador (metal afilado, taladrina, hierro, etc.) como electrodo. Cuando el grafito del ánodo se evapora y se consume durante la descarga del arco, los nanotubos de carbono se depositan en el cátodo electrodo de grafitoproduciendo así nanotubos de carbono.
Método de evaporación láser
El principio consiste en utilizar el rayo láser para irradiar el blanco de grafito que contiene el anillo de oro para evaporarlo y, al mismo tiempo, combinarlo con un determinado gas de reacción para depositar el nanotubo de carbono sobre el sustrato y la pared de la cavidad de reacción.
Pirólisis catalítica
También conocido como deposición química de vapor, el gas que contiene carbono se descompone para generar átomos de carbono cuando fluye a través de la superficie de las nanopartículas del catalizador, y se forman nanotubos de carbono en la superficie del catalizador. El método de pirólisis catalítica también se divide en método matricial y método flotante según las diferentes formas de existencia del catalizador.
El método matricial utiliza grafito o cerámica como soporte, adhiere el catalizador a él y hace pasar gas que contiene carbono a alta temperatura para descomponerlo y hacer crecer nanotubos de carbono en las partículas del catalizador. El método de flotación consiste en calentar directamente el precursor del catalizador para hacerlo gaseoso, y al mismo tiempo, se introduce en la cámara de reacción junto con hidrógeno gaseoso, y se descompone por separado en diferentes zonas de temperatura, los átomos de catalizador descompuestos se agregan gradualmente en partículas de tamaño nanométrico, y los átomos de carbono descompuestos que flotan en el espacio de reacción se precipitan sobre las partículas de catalizador para formar nanotubos de carbono.
Patrón de mercado del nanotubo de carbono
A juzgar por la demanda mundial del mercado de nanotubos de carbono, la demanda del mercado de nanotubos de carbono sigue aumentando. Según los datos, la demanda mundial de nanotubos de carbono en polvo y nanotubos de carbono en suspensión en 2019 es de 10.000 toneladas y 30.000 toneladas, respectivamente.
En 2020, la demanda mundial de polvo y lodo de nanotubos de carbono será de 20.000 toneladas y 40.000 toneladas, respectivamente. En 2021, la demanda mundial de polvo y lodo de nanotubos de carbono será de 4.000 toneladas y 90.000 toneladas, respectivamente. Se estima que en 2025, la demanda de polvo de nanotubos de carbono en el mercado mundial alcanzará las 24.000 toneladas, y la demanda de lodo de nanotubos de carbono llegará a las 590.000 toneladas.
Principales indicadores técnicos de los nanotubos de carbono
Dos indicadores básicos: la relación de aspecto (relación entre longitud y diámetro) del nanotubo de carbono y la pureza del carbono. El aumento de la relación de aspecto de los nanotubos de carbono favorece la mejora de su conductividad eléctrica, lo que puede mejorar aún más la tasa de rendimiento de las baterías de litio, y puede aumentar el contenido de materiales activos positivos mediante una menor adición, incrementando así la densidad energética.
Pureza del carbono: Las impurezas metálicas (especialmente el hierro) aumentarán la autodescarga de la batería de litio y el riesgo para la seguridad de la batería. Por lo tanto, la batería de litio requiere una mayor pureza del agente conductor de nanotubos de carbono.
Obstáculos al rápido desarrollo de los nanotubos de carbono
En esta fase, el precio del nanotubo de carbono es relativamente alto, y su aceptación en el mercado requiere un proceso. En el futuro, con la mejora de la aceptación en el mercado y la popularización de la industrialización a gran escala, se espera que el continuo descenso del precio del agente conductor de nanotubos de carbono acelere el proceso de sustitución del negro de humo por nanotubos de carbono. Se prevé que, para 2025, la cuota de mercado de los nanotubos de carbono supere a la del negro de humo y se convierta en la corriente principal del mercado.
