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钠电池生物质硬碳负极

负极材料是制约钠电池规模化生产的主要因素之一,其中硬碳负极占钠电池成本约25%。目前,技术成熟的主要企业为日本企业,如可乐丽和吴羽化学,而国内产能相对有限。硬碳作为钠离子电池负极的首选材料,以及生物质基硬碳前驱体成为主流路线的原因。生物质基硬碳具有成本优势、可再生性、来源丰富性、绿色环保性等特点,且某些生物质具有独特的结构和成分,有利于提高硬碳的储钠性能。

然而,生物质基硬碳量产面临几个瓶颈问题,包括合适的前驱体筛选、批量供应稳定性、材料一致性问题以及工序设备复杂多样性。这些瓶颈涉及到原材料的筛选、供应链稳定性、生产工艺控制和技术积累等方面。

1、硬碳为当前钠离子电池负极首选

钠离子电池的负极材料应具备以下特征:工作电压低、比容量高、首周库仑效率高、压实密度高、电子和离子电导率高、结构稳定(体积形变小)、空气稳定、成本低、安全无毒。

目前主要的钠电负极材料为碳基材料、合金类材料、过渡金属氧化物及有机化合物等,具体如下:

图1:各类钠电负极材料对比

类别 储钠原理 比容量(mAh/g) 优势 劣势
碳基材料 纳米孔洞储钠、石墨层间嵌钠、表面吸附和缺陷储钠 硬碳理论值530 电子导电性好、比容量高、循环寿命长、防止枝晶的产生、体积膨胀小 储钠平台低、大部分容量在接近金属钠的析出电位附近实现、体积效应严重、循环稳定性差
合金类材料 与Na形成合金或金属间化合物 420 理论容量高、成本低、体积膨胀小、廉价易得 电子导电性较差、循环性能差、大部分容量在接近金属钠的析出电位附近实现
金属氧化物 储钠原理未提供 120 储钠平台低、容量高、电子导电性好、防止枝晶的产生 体积膨胀严重、材料粉化;循环性能差、成本较高

来源:余海军《钠离子电池负极材料的研究进展》


传统石墨是锂电池主要的负极材料,而由于热力学原因,钠离子无法嵌入到石墨层间形成稳定的化合物,因此石墨不适合作为钠离子电池的负极材料。相比之下,层间距较大的无定形碳(软碳、硬碳)具有更高的储钠容量、较低的储钠电位以及良好的循环稳定性,因此具有广阔的应用前景。

硬碳在高温处理后不会石墨化,具有高容量、支持快速充放电和较强的安全性等优势,其理论容量可达530mAh/g,在高能量密度需求下成为主流的负极材料。

软碳经高温处理后可石墨化,成本较硬碳低,但由于石墨结构,储钠量较低;尽管可以通过造孔工艺增加容量,但也会增加成本,与硬碳相比经济性不如硬碳。

2、生物基为硬碳前驱体主流路线

硬碳重要性能参数包含比容量、首次效率、压实密度、循环性能等,硬碳前驱体部分决定硬碳材料性能。硬碳材料的前驱体来源广泛,主要包括生物质基、化石燃料基、树脂基等,优缺点如下:

图2:各类硬碳前驱体优缺点

类别 主要类型 原料来源广泛 价格 环保可降性 原材料成本 工艺难度 克容量 稳定性 致性保障难度
生物基 木质纤维素类(乔麦类、秸秆类、干果壳类)和多糖 低廉 低廉 中等 偏低
树脂基 酚醛树脂等 性能优异 中等 居中 中等 中等 中等
化石燃料基 无烟煤、沥青等 价格高 低廉

请注

从成本来看,生物质基、无烟煤基前驱体成本优势较为突出,树脂基成本较为高昂;从比容量性能来看,树脂基较为突出,生物质基优于沥青基及无烟煤基。

类别 负极前驱体价格(万元/吨) 收率 负极前驱体材料成本(万元/吨) 加工费用(万元/吨) 负极生产成本(万元/吨) 比容量(mAh/g) 单位性能成本比(Ah/元) 负极售价(万元/吨) 负极吨毛利中间值(万元/吨) 预估毛利率中间值
生物质基 0.1-0.2 10%-20% 0.5-2 1-1.5 1.5-2.5 320-360 12.8-24 3-4.5 1.75 47%
树脂基 1.2-1.5 20%-30% 4-7.5 1-1.5 5-9 380-420 4.2-8.4 8-10 2 22%
沥青基 0.4 50%-60% 0.8-1 1-1.5 1.8-2.5 280-300 11.2-16.7 3-4.5 1.5 40%
无烟煤基 0.1-0.2 90% 0.12-0.32 1-1.5 1.1-1.8 220-240 18.1-21.8 2-3 1 40%


综合性能与成本,生物基成为目前企业主要的选择。此外生物质还具有可再生、来源丰富、价格低廉、绿色环保等优点,同时有些生物质具有独特的结构和成分,如中空、多孔、含氮元素等,这些将有利于提高硬碳的储钠性能。

3、生物质基硬碳量产瓶颈

瓶颈一:合适的前驱体筛选

硬碳的制造工艺的关键在于原材料的筛选。硬碳的生产过程通常包括原料选择、各种前处理、纯度控制、碳化和表面改性等阶段。原材料筛选具有较高的技术门槛,因为前体材料的选择范围广泛,来自不同地区和批次的生物质往往具有不同的特性。因此,许多企业会从原材料的选择开始确保一致性,以降低后续处理的成本(后续处理可能无法解决和控制灰分中的杂质类型导致的纯度问题)。

目前可用于硬碳的生物质基材料多达几十种,部分材料性能如下:

材料 碳化温度(℃) 比容量(mAh/g) 循环次数 保持率(%) 效率(%)
再生棉 1300 83 315 100 97
核桃壳 1000 71 257 70.80 300
橡树叶 1000 74.8 360 90 300
樱花瓣 1000 67.3 310.2 89.80 500
海带 1300 64.1 334 93 200
木质素 1100 68 299 98 300
柚皮 700 27 314.5 99.30 220
莲藕茎 1400 70 351 94 450
蛋壳膜 1300 89 310 99 250
木糖 1200 93 363.8 92.60 400
动植物细胞组织 1300 91.2 338.2 93 1000
软木塞 1600 81 358 87 200
蜂巢 900 59.8 221.5 91.6 200
卤虫卵鞘 850 32 325 53.3 200
摩洛哥坚果壳 / / 333 96 100
山竹果壳 / / 330 98 100
松果 / / 328 91.10 100



生物质基硬碳原材料的优势和挑战

生物质原料制备的硬碳产品具有高容量和优异性能,目前被企业广泛选择。然而,该行业仍存在几个挑战:

瓶颈二:批量供应稳定性

生物质原料多为植物器官、生物提取物和生物废料,如椰壳、淀粉、竹子、秸秆。企业需要面对运输半径和稳定供应的问题,以确保合理采购成本并建立供应链。

瓶颈三:材料一致性问题

材料结构一致性对电池系统的稳定性和循环寿命至关重要。不同生物质产地和批次的不一致性影响硬碳材料的结构和性能,需要确保前驱体具有高度一致性。

瓶颈四:工序设备复杂多样

硬碳生产中涉及原料选取、交联处理、碳化、纯化等多个工序,且不同原料需要经历不同工艺。生产设备包括粉碎机、球磨机、反应釜等,有些设备需进口,制约了生产成本。

因此,衡量生物质基硬碳材料的优势与挑战,企业需要关注原材料稳定性、材料一致性以及复杂的生产工序设备选型等因素,以提高产品竞争力。


当前文章:钠电池生物质硬碳负极
钠电池生物质硬碳负极 生产厂家哪家好? 西格玛电炉_西格玛箱式气氛炉厂家为专业的钠电池生物质硬碳负极 生产厂家,多年来致力于高温设备研发生产,积累了丰富的行业经验和技术实力。产品有高温电炉、钠电池生物质硬碳负极 、真空气氛炉、管式电炉、箱式电炉、气氛烧结炉、高温真空炉等。可根据客户需求提供个性化定制解决方案。

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