Présentation détaillée du nanotube de carbone - méthode de préparation et développement
Il est bénéfique d'améliorer la densité énergétique de la batterie lithium-ionLes nanotubes de carbone améliorent la durée de vie de la batterie et devraient accélérer le remplacement des agents conducteurs traditionnels. Cet article vous permettra d'en savoir plus sur les nanotubes de carbone.
Qu'est-ce qu'un nanotube de carbone ?
Les nanotubes de carbone (NTC) sont un nanomatériau unidimensionnel typique. Le nanotube de carbone est un isotope du carbone cristallin, dont la structure est celle d'un nanotube creux unidimensionnel en forme de nid d'abeille, dans lequel les atomes C-C sont hybridés en sp2 pour former des liaisons covalentes.
En fonction du nombre de parois du nanotube de carbone, on distingue le nanotube de carbone à paroi unique (SWCNT) et le nanotube de carbone à parois multiples (MWCNT). Selon les caractéristiques structurelles du nanotube de carbone, il peut être divisé en trois types : en fauteuil, en zigzag et en spirale. Les nanotubes de carbone hélicoïdaux présentent une chiralité, tandis que les nanotubes de carbone en zigzag et en fauteuil ne présentent pas de chiralité.
Avantages des nanotubes de carbone en termes de performances
● Résistance spécifique la plus élevée :
La liaison covalente reliant les atomes de carbone dans le nanotube de carbone est la liaison chimique la plus stable dans la nature. Le nanotube de carbone présente une résistance à la traction et un module d'élasticité extrêmement élevés. Dans le même temps, la densité du nanotube de carbone ne représente que 1/6 de celle de l'acier, qui est le matériau ayant la résistance spécifique la plus élevée qui puisse être préparé à l'heure actuelle.
● Forte flexibilité :
Le nanotube de carbone est solide mais pas fragile. Lorsqu'on le plie ou qu'on lui applique une pression dans le sens axial, le nanotube de carbone ne se rompt pas, même si la force externe dépasse la limite de résistance d'Euler ou la résistance à la flexion, mais il se produit d'abord une flexion à grand angle et, lorsque la force externe est relâchée, le nanotube de carbone reprend sa forme initiale.
● Bonne conductivité :
La structure du nanotube de carbone est identique à la structure en feuillets du graphite et présente une bonne conductivité électrique. La résistance du nanotube de carbone n'a rien à voir avec sa longueur et son diamètre, les électrons qui passent à travers le nanotube de carbone ne génèrent pas de chaleur pour chauffer le nanotube de carbone. La transmission des électrons dans le nanotube de carbone est semblable à la transmission des signaux lumineux dans le câble à fibre optique, et la perte d'énergie est faible, ce qui en fait un excellent conducteur de batterie.
● Bonne performance de stockage de l'hydrogène :
Le nanotube de carbone lui-même a une surface spécifique élevée et, après avoir été traité, il a une excellente capacité de stockage de l'hydrogène.
● Propriétés supérieures d'intercalation du lithium :
La lumière creuse des nanotubes de carbone, les espaces entre les tubes, les espaces entre les couches de la paroi du tube et divers défauts dans la structure du tube fournissent un espace de stockage abondant et des canaux de transport pour les ions lithium.
● Stabilité chimique :
Le nanotube de carbone est chimiquement stable et résiste aux acides et aux alcalis. L'ajout de nanotubes de carbone aux composites polymères peut améliorer la résistance à l'acide et à l'oxydation des matériaux eux-mêmes.
Application des nanotubes de carbone
Du point de vue de la chaîne industrielle des nanotubes de carbone, l'amont de la chaîne industrielle est l'industrie pétrochimique, et les principales matières premières sont le propylène, le NMP et les dispersants. Les agents conducteurs de nanotubes de carbone en aval comprennent principalement la pâte conductrice et le mélange maître conducteur, qui sont utilisés respectivement dans les piles au lithium et les entreprises chimiques.
Il possède d'excellentes propriétés de résistance et de conductivité électrique et thermique. Ses applications en aval couvrent principalement les domaines de l'industrie automobile des nouvelles énergies, de l'industrie numérique 3C, de l'industrie des semi-conducteurs, des centrales de stockage d'énergie et des infrastructures électriques, ainsi que les entreprises de plastique conducteur des entreprises chimiques.
La demande d'applications commerciales à grande échelle de nanotubes de carbone provient principalement des domaines des piles au lithium et des plastiques conducteurs, dont plus de 80% de la demande provient des piles au lithium. Le nanotube de carbone et le graphène font partie des nouveaux matériaux conducteurs. Le nanotube de carbone forme un réseau conducteur à contact linéaire entre les matériaux actifs, et le graphène forme un réseau conducteur à contact surfacique entre les matériaux actifs.
Selon la proportion de la structure de la demande en aval de nanotubes de carbone, l'industrie des services pour batteries au lithium représente une proportion relativement importante, atteignant 86% ; les entreprises de plastique conducteur représentent une proportion relativement faible, avec seulement 14%.
Méthode de préparation des nanotubes de carbone
Il existe trois principales méthodes de synthèse des nanotubes de carbone : la méthode de décharge à l'arc, la méthode d'évaporation au laser et la méthode de dépôt chimique en phase vapeur. La méthode de décharge à l'arc a une température de réaction élevée, un taux de croissance rapide des nanotubes de carbone, et les paramètres de préparation ne sont pas faciles à contrôler, de sorte qu'il est difficile de contrôler sa structure fine.
En raison du coût et de la complexité de l'équipement, la méthode d'évaporation au laser est moins utilisée aujourd'hui. Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) consiste à décomposer les composés contenant du carbone pour obtenir des sources de carbone, puis à réaliser la croissance de nanotubes de carbone sous l'action de catalyseurs métalliques. Cette méthode se caractérise par une faible température de croissance, un réglage facile des paramètres, un rendement élevé et une grande pureté du carbone ; c'est actuellement la technologie la plus utilisée dans l'industrie.
Méthode de l'arc
La méthode de l'arc est la première méthode utilisée pour préparer les nanotubes de carbone, et c'est aussi la plus importante. Sa principale technique consiste à remplir un récipient sous vide de gaz inerte ou d'hydrogène sous une certaine pression, et à utiliser du graphite dopé avec un catalyseur (métal pointu, foret, fer, etc.) comme électrode. Lorsque le graphite de l'anode est évaporé et consommé pendant la décharge de l'arc, des nanotubes de carbone se déposent sur la cathode électrode en graphiteet produire ainsi des nanotubes de carbone.
Méthode d'évaporation au laser
Le principe consiste à utiliser le faisceau laser pour irradier la cible de graphite contenant l'anneau d'or afin de l'évaporer et, en même temps, à le combiner avec un certain gaz de réaction pour déposer le nanotube de carbone sur le substrat et la paroi de la cavité de réaction.
Pyrolyse catalytique
Également connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur, le gaz contenant du carbone est décomposé pour générer des atomes de carbone lorsqu'il traverse la surface des nanoparticules du catalyseur, et des nanotubes de carbone sont formés à la surface du catalyseur. La méthode de pyrolyse catalytique est également divisée en méthode matricielle et méthode flottante en fonction des différents modes d'existence du catalyseur.
La méthode matricielle utilise du graphite ou de la céramique comme support, y fixe le catalyseur et fait passer du gaz contenant du carbone à haute température pour le décomposer et faire croître des nanotubes de carbone sur les particules de catalyseur. La méthode de flottation consiste à chauffer directement le précurseur du catalyseur pour le rendre gazeux, et en même temps, il est introduit dans la chambre de réaction avec de l'hydrogène gazeux, et se décompose séparément dans différentes zones de température, les atomes de catalyseur décomposés s'agrègent progressivement en particules de taille nanométrique, et les atomes de carbone décomposés flottant dans l'espace de réaction sont précipités sur les particules de catalyseur pour former des nanotubes de carbone.
Modèle de marché des nanotubes de carbone
À en juger par la demande du marché mondial des nanotubes de carbone, celle-ci continue d'augmenter. Selon les données, la demande mondiale de poudre de nanotubes de carbone et de boue de nanotubes de carbone en 2019 est respectivement de 10 000 tonnes et de 30 000 tonnes.
En 2020, la demande mondiale de nanotubes de carbone en poudre et en suspension sera respectivement de 20 000 tonnes et de 40 000 tonnes. En 2021, la demande mondiale de nanotubes de carbone en poudre et en suspension sera respectivement de 4 000 tonnes et de 90 000 tonnes. On estime qu'en 2025, la demande de poudre de nanotubes de carbone sur le marché mondial atteindra 24 000 tonnes et la demande de boue de nanotubes de carbone 590 000 tonnes.
Indicateurs techniques de base des nanotubes de carbone
Deux indicateurs essentiels : le rapport d'aspect (rapport entre la longueur et le diamètre) du nanotube de carbone et la pureté du carbone. L'augmentation du rapport d'aspect du nanotube de carbone est propice à l'amélioration de sa conductivité électrique, ce qui peut encore améliorer le rendement des piles au lithium, et peut augmenter la teneur en matériaux actifs positifs par une moindre addition, augmentant ainsi la densité énergétique.
Pureté du carbone : Les impuretés métalliques (en particulier le fer) augmentent l'autodécharge de la batterie électrique au lithium et accroissent les risques pour la sécurité de la batterie. Par conséquent, la batterie au lithium nécessite une pureté plus élevée de l'agent conducteur à base de nanotubes de carbone.
Obstacles au développement rapide des nanotubes de carbone
À ce stade, le prix du nanotube de carbone est relativement élevé et son acceptation en aval nécessite un processus. À l'avenir, avec l'amélioration de l'acceptation par le marché et la popularisation de l'industrialisation à grande échelle, la baisse continue du prix de l'agent conducteur à base de nanotube de carbone devrait accélérer le processus de substitution du nanotube de carbone au noir de carbone. On prévoit que d'ici 2025, la part de marché du nanotube de carbone dépassera celle du noir de carbone et deviendra le courant dominant du marché.
