纳米尺度的巨变：印度NoPo扩大单壁碳纳米管产能，从前沿芯片到绿色能源的“全能赋能者”

碳纳米管正成为未来半导体器件、先进电池、导电聚合物和水处理系统的候选材料。总部位于印度班加罗尔的 NoPo Nanotechnologies 公司正通过扩大单壁碳纳米管的生产规模，并开发针对电子和储能市场的专用产品，将其自身定位为这些材料的供应商。

NoPo Nanotechnologies 由 Gadhadar Reddy 和 Robert Kelley Bradley 于 2011 年创立，目前已发展成为一个拥有 50 名员工的团队。该团队主要制造单壁碳纳米管——这种材料的管壁仅有一个碳原子厚，直径比一根头发丝还要细大约 20 万倍。

在接受独家专访时，联合创始人兼首席执行官 Gadhadar Reddy 表示：“挑战不仅在于生产它们，还在于确保它们具有相同的尺寸，从而展现出预期的特性。”

NoPo Nanotechnologies 最近启用了一条试点生产线，并正在班加罗尔建立一家新工厂。该公司声称，该工厂将成为全球第二大、也是亚洲该地区首个此类碳纳米管生产基地，旨在直接为电池生产线供货。

两年前，该公司在 Pre-A 轮融资中从 Mission10X、Inflexor 以及多家家族办公室筹集了 300 万美元。自那以后，该公司扩大了纳米管的产能，稳定了材料的应用，并开始为 A 轮融资做准备，以支持更大规模的制造工厂。

从历史上看，全球单壁碳纳米管市场一直由总部位于卢森堡的 OCSiAl 主导。作为全球最大的该材料生产商之一，OCSiAl 在欧洲和亚洲都设有制造和研究机构。Reddy 表示，目前许多客户正在寻找替代供应商，这为 NoPo 等新制造商创造了机会。

工艺控制的挑战

碳纳米管最初发现于 20 世纪 90 年代。然而，大多数试图进行商业化生产的研究人员只能按批次制造纳米管，且批次之间的性能差异很大。

为了解决这一问题，NoPo Nanotechnologies 表示其已经开发出涵盖 200 多个生产参数的工艺控制。Reddy 说道：“我们已经确定了 200 多个影响生产的不同参数，并对它们进行了积极的控制。”

该公司采用高压一氧化碳（HiPco）工艺制造纳米管，该工艺由联合创始人 Robert Kelley Bradley 与诺贝尔化学奖得主 Richard Smalley 共同开发。

与通常在真空或接近大气压条件下运行的传统化学气相沉积（CVD）系统不同，HiPco 工艺在超过 1000°C 的温度和更高的压力下运行。任何污染都会导致生产立即停止，而保持一致性需要每次生产运行的投入完全相同。Reddy 表示，该工艺是连续的，只要持续供应反应物，纳米管的生产就可以不断进行。

纳米管是通过催化剂颗粒（通常是铁基）生产的，碳原子在催化剂颗粒上组装成螺旋结构并生长成管状，最后在两端形成端帽进行封闭。

单壁纳米管仅由一层原子层组成，而多壁纳米管则包含多个同心层。虽然多壁纳米管往往具有更好的导电性，但单壁纳米管通常在低得多的添加量下就能达到类似的性能。

“在与导电相关的应用中，用户经常会发现两者之间有十倍的性能差距，”Reddy 说道。

该公司的工艺生产出的纳米管平均直径为 0.8 纳米，波动范围约为 0.2 纳米。

直径对于电子应用尤为重要，因为纳米管的带隙（bandgap）取决于其尺寸。碳纳米管可以表现出 0 到 2 电子伏特的带隙，这使得研究人员能够通过按直径分离纳米管来选择特定的电学特性。

生产完成后，NoPo 会进行分离工艺，根据直径和相应的带隙对纳米管进行分类。随后，这些富集材料将被供应给半导体和电子客户。

该公司还致力于手性控制（chirality-controlled）纳米管的研究。在纳米管科学中，手性是指结构中碳原子的排列方式，它决定了纳米管是表现为半导体还是金属导体。

Reddy 表示，公司可以根据手性分离纳米管，甚至可以区分同一手性类别内的对映异构体（enantiomers）。

电池与芯片市场

NoPo 目前的商业重心在电池和聚合物领域。同时，人们也在探索将碳纳米管用于 2 纳米以下的半导体节点。在这些应用中，纳米管本身就充当晶体管。Reddy 解释说，一个纳米管晶体管的宽度约为 1 纳米，长度约为 10 纳米，而 2 纳米工艺节点下的晶体管尺寸则超过 30×30 纳米。

单壁纳米管还可作为直接带隙半导体，从而避免了与硅相关的一些发热限制。测试表明，纳米管器件的运行主频可超过 100 吉赫兹（GHz）。

该公司目前正与台湾领先的芯片制造商（Reddy 未透露其具体名称）进行合作，不过该合作仍处于研发（R&D）阶段。Reddy 表示：“他们正在自己的制造工艺中对该材料进行评估。”

半导体领域对该材料的采用速度仍慢于电池和聚合物。评估聚合物应用的客户通常需要大约一个月的时间，而电池客户在汽车应用方面需要一到两年，在某些非汽车用途上需要四到六个月。

目前电池应用主要集中在硅负极上。提高电池容量的方法之一是将硅引入负极。然而，硅并不稳定，需要单壁碳纳米管来使其稳定。

Reddy 介绍说，公司供应的纳米管分散液会被混合到负极浆料中。他认为，碳纳米管在电池应用中已经具备了商业可行性。根据公司的验证测试，它在仅增加约 1% 电池成本的同时，提高了电池容量、循环寿命和充电性能。

通过现有市场参与者供应的材料，纳米管已经被应用于高端智能手机和高档汽车电池中。

此外，通过印度技术开发局（Technology Development Board）资助的一个可行性项目，该公司正与一家未透露名称的以色列合作伙伴共同研究钠离子电池。早期结果表明，电池的充电性能和容量均有所提升。

钠离子电池通常被宣传为一种成本更低的替代方案，其充电循环次数可超过 20,000 次。随着电池制造商在现有供应链之外寻求替代方案，全球对钠离子电池的需求正在日益增长。

本地供应链

NoPo Technologies 表示，他们并不直接销售原材料纳米管，而是将几乎所有产量转化为分散液。单个纳米管肉眼不可见，需要借助透射电子显微镜（TEM）等设备进行观察；但在批量状态下，它们呈现为黑色的蓬松粉末。

该公司表示，在将材料转化为稳定的分散液之前，他们会去除残留的金属颗粒，以便客户可以直接将该材料融入电池浆料和聚合物配方中。

“我们不打算销售原始的纳米管，”Reddy 说。“提供开箱即用形式的材料要实用得多。”

该公司的研发设施占地约 1,486.45 平方米（16,000 平方英尺），内部部署了反应器集群、纯化系统、监测系统、分散处理设备以及材料表征设施。

不同市场评估所需的采购量有所不同。聚合物客户通常需要评估 25 到 100 公斤的材料，电池客户一般需要 1 到 10 公斤，而商业订单通常以公吨为单位进行计算。

本土化也已成为 NoPo 战略的重要组成部分。Reddy 指出，公司约 90% 的投入（包括反应器系统、加热元件、压力容器、过滤器组件和催化剂）均在印度本地采购或制造。在新冠疫情期间，由于商业系统的交货周期延长至近两年，该公司甚至自行开发了气体压缩机。

“这是我们在市场上的优势之一，因为我们控制了绝大部分端到端的供应链，”他说道。

电子领域之外

除电池和半导体领域外（如前文提到与台湾某领先芯片制造厂的合作），NoPo 还开发了用于水质净化的碳纳米管膜。该技术已获得了印度国家转型署（NITI Aayog）、印度海军、卡纳塔克邦的 Elevate 100 倡议以及 XPRIZE 等项目的支持。

近期，NoPo 参加了 XPRIZE 水资源短缺挑战赛，并成为唯一一支获得参赛资格的印度团队。在展示了一种在相同膜面积下、产水量达到传统海水淡化膜三倍的纳米管膜后，该公司赢得了半决赛并获得了入围决赛奖。Reddy 表示，这一提升可以在降低能耗的同时，生产出更多的清洁水。

在最近的一个项目中，NoPo 为聚乙烯包装开发了一种透明纳米管涂层，该涂层在保持导电性的同时，还能确保二维码清晰可见。尽管公司尚未积极开拓印刷电子市场，但他们也看到了该领域的潜在机遇。

展望未来，Reddy 表示 NoPo 将继续专注于单壁碳纳米管，并在其班加罗尔的制造基地周围，逐步构建一个更广泛的纳米技术生态系统。

“我们从最基础的材料开始，现在正在这一基础上向前迈进，”他说道。“从这个意义上说，我们正在通过赋能新的应用和产品来创造对这种材料的需求。”

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原文：Indian Firm Scales Carbon Nanotube Tech for Batteries and Chips - EE Times