De nombreux membres du personnel de R&D sur les matériaux sont surpris lorsqu'ils voient le devis pour des nanotubes de carbone à simple paroi ou semi-conducteurs lorsqu'ils demandent des échantillons à la chaîne d'approvisionnement. Les deux sont des poudres noires, alors pourquoi les nanotubes de carbone à parois multiples-ne coûtent-ils que quelques dizaines de RMB par kilogramme, alors que les nanotubes de carbone à paroi unique-de haute qualité-simple paroi ou semi-conducteurs peuvent coûter plusieurs milliers, voire des dizaines de milliers de RMB par gramme ? Pourquoi les nanotubes de carbone de haute-qualité (simple-paroi/semi-conducteurs) sont-ils si chers ?
1. Parois simples -parois ou à parois multiples- : mêmes nanotubes de carbone, différence de prix cent-fois supérieure
Le prix des nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) est généralement plus de 100 fois supérieur à celui des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT). Les tubes à plusieurs parois-ordinaires coûtent 60 000-500 000 RMB/tonne, tandis que les tubes à simple paroi peuvent atteindre 6 à 20 millions de RMB/tonne.
Qu'est-ce que cela signifie? Un kilogramme de poudre de nanotubes de carbone à simple paroi-de haute qualité-se vend 6 000-20 000 RMB -, à peu près l'équivalent du prix d'une voiture familiale de milieu de gamme. Ce n’est pas pour rien qu’on l’appelle « l’or noir » dans le monde des matériaux.
| Dimension de comparaison | Nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) | Nanotubes de carbone à paroi simple-(SWCNT) |
|---|---|---|
| Diamètre du tube | 7-100 nm | 1-2 nm |
| Prix de vente | 100 000 à 200 000 RMB/tonne | 6 000 000-20 000 000 RMB/tonne |
| Efficacité conductrice | Nécessite plus de 0,5 % d'ajout | Aussi peu que 0,03 % peut obtenir des résultats significatifs |
| Positionnement des applications | Cheval de bataille industriel,-priorité en matière de rentabilité | Roi des nanomatériaux, performance ultime |
2. D’où vient le coût ? Trois liens "Argent-Brûler"
Le prix exorbitant-des nanotubes de carbone à simple paroi-provient de la triple superposition d'une "préparation difficile, d'une séparation difficile et d'une faible capacité de production". Chaque maillon nécessite un investissement technique et matériel extrêmement élevé.
2.1 Préparation : niveau atomique-"Contrôle de précision"
Les performances des nanotubes de carbone dépendent de leur chiralité (angle de roulement) et de leur diamètre. Le diamètre des nanotubes de carbone à paroi simple-n'est que de 1 à 2 nanomètres. La culture de tubes aussi minces sur des catalyseurs nécessite un contrôle extrêmement élevé de la température, du débit de la source de carbone et du rapport du catalyseur.
Bien que la méthode CVD (dépôt chimique en phase vapeur) actuelle puisse être utilisée pour une production industrielle, le produit synthétisé contient inévitablement un mélange de nanotubes de carbone métalliques et semi-conducteurs. En d'autres termes, le processus de croissance ne fait pas de distinction entre les deux types et il est impossible de « produire uniquement le type souhaité ».
Du point de vue de la structure des coûts, les coûts des matières premières représentent 40 - 60 % du coût total de production des nanotubes de carbone. Les tubes à simple paroi-ont des exigences plus strictes en matière de pureté de la source de carbone et de catalyseurs, le coût des matières premières dépassant de loin celui des tubes à parois multiples.
2.2 Séparation et purification : cueillette des "haricots dorés" dans un "pot mélangé"
C'est le lien qui contribue le plus à la « premium » des nanotubes de carbone à simple paroi. Pour fabriquer des appareils électroniques tels que des transistors, des nanotubes de carbone semi-conducteurs -à paroi unique doivent être utilisés - des tubes métalliques détruiraient les caractéristiques de commutation des transistors.
Mais le problème est que la séparation efficace des nanotubes de carbone semi-conducteurs et métalliques des mélanges reste un défi-de classe mondiale. Les méthodes courantes incluent la centrifugation sur gradient de densité, la séparation électrophorétique et la fonctionnalisation sélective. Ces méthodes sont soit lourdes avec un faible rendement, soit extrêmement coûteuses et difficiles à mettre à l'échelle.
Un projet TFT imprimé à l'échelle nationale-sur des nanotubes de carbone montre qu'après des processus de purification complexes, des nanotubes de carbone semi-conducteurs d'une pureté supérieure à 99,997 % peuvent être préparés -, mais atteindre ce niveau de pureté entraîne un coût extrêmement élevé en termes de complexité du processus et d'investissement en temps.
2.3 Paysage du marché : quelques acteurs monopolisent l’offre
La rareté fait monter les prix. Actuellement, OCSiAl détient à lui seul environ 90 % de la part de marché mondiale des nanotubes de carbone à paroi unique, avec une capacité de production existante d'environ 100 tonnes. Au niveau national, Tianneng Technology avance dans la construction d'une capacité de production de 150 tonnes.
Du côté de la demande, le marché mondial des nanotubes de carbone-à paroi unique connaît une croissance rapide, à un taux de croissance annuel composé de 49,5 %. Le déséquilibre de l'offre-demande soutient en outre le prix élevé.
3. Pourquoi est-ce « cher » mais précieux ? La performance est l’essentiel
Le prix ultra-élevé des nanotubes de carbone à paroi simple-est soutenu par leur efficacité conductrice, leurs propriétés mécaniques et leur conductivité thermique bien supérieures à celles des tubes à parois multiples-.
Que le prix soit élevé ou non dépend de la "rentabilité-de coût". Quelle est la capacité des nanotubes de carbone à paroi simple ?
| Indicateur de performance | Nanotubes de carbone à paroi simple-(SWCNT) | Nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) |
|---|---|---|
| Module élastique | 1 000 à 3 000 GPa | 300-1000 GPa |
| Résistance à la traction | 50-100 GPa | 10-50 GPa |
| Conductivité thermique | 3000-6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| Quantité minimale d'additif conducteur | 0.01% | 0.5% |
Prenons l'exemple des applications de batteries au lithium : dans les cathodes LFP, les nanotubes de carbone à parois multiples nécessitent un ajout de 0,9 % pour atteindre une résistivité volumique de 13,80 Ω·cm. Les nanotubes de carbone à simple paroi-ne nécessitent que 0,03 % (1/30 de MWCNT) pour atteindre une résistivité inférieure de 4,77 Ω·cm.
L'écart est encore plus prononcé dans les systèmes d'anodes en silicium : les MWCNT nécessitent un ajout de 3 % pour une résistivité de 0,78 Ω·cm ; Les SWCNT ne nécessitent que 0,3 % (1/10), réduisant la résistivité à 0,75 Ω·cm.
Cela signifie : bien que le prix unitaire des SWCNT soit élevé, le montant de leur utilisation est extrêmement faible. Dans les formulations de batteries haut de gamme, le coût global n'est pas nécessairement plus élevé que celui de l'utilisation de MWCNT.
4. Nouveau matériau Shandong Tanfeng : exploration de la localisation de SWCNT de haute -qualité
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. promeut activement la localisation de nanotubes de carbone de haute -qualité. Ses produits de la série TF couvrent des nanotubes de carbone à simple-parois/multi-parois d'une pureté supérieure ou égale à 98 %, ce qui représente une force significative pour briser le "monopole des prix élevés-".
La raison fondamentale de ce prix élevé est la barrière technique. Briser le monopole nécessite une substitution nationale -, exactement ce que fait Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
Le nouveau matériau Shandong Tanfeng, grâce à son système de catalyseur anti-frittage à haute efficacité-auto-développé-et à ses processus de purification continue, a considérablement amélioré le rendement des nanotubes de carbone à simple paroi-et réduit les résidus d'impuretés. Il s'agit d'un fabricant source puissant qui permet de réduire les coûts des tubes en carbone haut de gamme. En tant que fabricant national profondément ancré dans les matériaux à base de carbone-, il brise cette barrière de prix dans les trois dimensions suivantes :
Percée dans la technologie anti-frittage Catalyst :Tanfeng New Material utilise un catalyseur spécial qui inhibe efficacement le frittage à haute température pendant la croissance des nanotubes de carbone à paroi unique, prolongeant ainsi la durée de vie du catalyseur de plus de 3 et augmentant le rendement de croissance macroscopique des SWCNT à plus de 20 %, réduisant ainsi les coûts des matériaux à la source.
Processus continu de purification et d’élimination des impuretés :Ciblant les grandes quantités de carbone amorphe et de résidus métalliques dans les produits bruts SWCNT, Shandong Tanfeng a abandonné le lavage acide par lots inefficace et a développé un équipement de purification continue à contre-courant. Sans endommager les SWCNT, il contrôle la teneur en cendres à moins de 2 %, atteignant une pureté de pointe-dans l'industrie et réduisant considérablement les coûts de traitement ultérieurs des clients en aval.
Promouvoir la-séparation à grande échelle des SWCNT semi-conducteurs : 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 %) à des prix représentant seulement 50 % des produits importés, offrant une alternative nationale très rentable-pour l'application commerciale de capteurs flexibles et de revêtements antistatiques-haut de gamme-.
Le "prix exorbitant" des nanotubes de carbone à paroi simple-de haute-qualité est le résultat de quatre facteurs combinés : les processus de préparation au niveau atomique-, les défis de séparation de classe mondiale-, la structure du marché oligopolistique et les primes de performance ultimes. Alors que les entreprises nationales -, y compris les forces chinoises comme Shandong Tanfeng New Material -, continuent de faire progresser la localisation des nanotubes de carbone à simple paroi-, le prix des nanotubes de carbone de haute -de qualité devrait diminuer progressivement à l'avenir. Pour les entreprises ayant des besoins d'applications haut de gamme, c'est le meilleur moment pour introduire des nanotubes de carbone de haute qualité produits localement pour améliorer la formulation et réduire les coûts tout en améliorant l'efficacité.