أظهرت بطاريات أيونات الصوديوم إمكانات هائلة في تخزين الطاقة على نطاق واسع بفضل مزاياها، مثل وفرة الموارد، والسلامة العالية، والأداء الممتاز في درجات الحرارة المنخفضة. وباعتباره المادة الأساسية للبطارية، يؤثر القطب السالب بشكل مباشر على مقاييس رئيسية مثل كثافة الطاقة، وأداء الدورة، والكفاءة الكولومبية الأولية. وقد أصبح الكربون الصلب، ببنيته البلورية غير المنتظمة الفريدة ومسامه الوفيرة، المادة المفضلة للأقطاب السالبة في بطاريات أيونات الصوديوم. وتتيح طبقاته الجرافيتية، ومسامه الدقيقة المغلقة، ومواقع عيوب سطحه، تخزينًا فعالًا للصوديوم، مما يوفر مزايا عالية السعة. ويكمن مفتاح التصنيع حاليًا في اختيار أسلاف الكربون الصلب.
تشمل المواد الأولية الكربونية الصلبة الشائعة الاستخدام مواد بوليمرية حيوية مثل قشور جوز الهند، والنشا، والخيزران، والقش، بالإضافة إلى مواد خام كيميائية مثل الأنثراسايت، والإسفلت، والراتنج الفينولي. تتميز منتجات الكربون الصلبة المشتقة من مواد أولية مختلفة باختلافات ملحوظة في الأداء، كما تختلف هياكل تكلفتها اختلافًا كبيرًا نظرًا لاختلاف مصادر المواد الخام.
يقوم هذا المقال بتحليل المواد الأربعة الرئيسية للكتلة الحيوية - قشر جوز الهند، والنشا، والخيزران، والقش - لتقييم مزاياها وعيوبها على التوالي!
1. قشرة جوز الهند: أداء عالي ولكن يعتمد على الاستيراد
المزايا: مسامية للغاية، نسبة رماد منخفضة، تصنيع ناضج.
تُستخدم قشور جوز الهند، وهي القشرة الداخلية لجوز الهند من أشجار النخيل، في الكربون المنشط، والحرف اليدوية، وصناعة بطاريات الطاقة الجديدة. وقد قامت شركة كوراراي اليابانية بتسويق الكربون الصلب المُستخرج من قشور جوز الهند، باستخدام عمليات مثل الكربنة، والسحق، والمعالجة القلوية، والتنقية الحرارية، وترسيب البخار الكيميائي.
العيوب: العرض المحدود، والاعتماد على الواردات:
الإنتاج المحلي غير كافٍ وذو صلابة أقل: يُزرع جوز الهند بشكل رئيسي في إندونيسيا والفلبين وسريلانكا والهند. أما الإنتاج الرئيسي للصين فيُركز في هاينان (99% من الإنتاج المحلي)، إلا أن الإنتاج السنوي لا يُلبي سوى حوالي 6 جيجاواط/ساعة من الطلب على البطاريات، وهو أقل بكثير من احتياجات بطاريات أيونات الصوديوم المستقبلية. يتميز جوز الهند من هاينان بصلابة أقل بسبب ضعف أشعة الشمس مقارنةً بالمناطق الاستوائية.
مخاطر الاستيراد: منذ أواخر عام 2024، ارتفعت أسعار قشور جوز الهند المتفحمة، مما تسبب في عدم استقرار سلسلة التوريد للشركات المحلية.
انخفاض العائد: يبلغ العائد الإنتاجي للكربون الصلب من قشور جوز الهند 20%-25% فقط، حيث تتطلب 1 جيجاوات ساعة من البطاريات ما يقرب من 1500 طن من الكربون الصلب، مما يتطلب كميات هائلة من المواد الخام.
2 النشا: مصادر وفيرة ولكن معالجتها معقدة
المميزات: سوق مستقرة، تكلفة منخفضة.
النشا، أحد أكثر المواد الحيوية المتجددة وفرةً (من الذرة والبطاطا الحلوة، إلخ)، يتميز بتوفره على نطاق واسع وغياب أي مخاطر مرتبطة بمورد واحد. وبصفته من السكريات المتعددة النموذجية، يتميز النشا بمحتوى كربوني مرتفع وتكلفة منخفضة. ويجعله شكله الكروي الطبيعي مادةً تنافسيًا للكربون الصلب، إذ يتميز بقوام أفضل (شوائب أقل) من قشور جوز الهند، وقابلية تحلل بيولوجي، مما يمنحه ميزةً في الحفاظ على البيئة.
العيوب: تركيب معقد، تكاليف أعلى:
النشا بوليمر عضوي عالي النقاء. ورغم أنه يُمكّن من تكوين أشكال كربونية صلبة مُصممة خصيصًا من خلال طرق تركيب مُحددة، إلا أن عملية التصنيع مُعقدة. على سبيل المثال، يستخدم مُنتج BSTR الصيني النشا ومواد أخرى من الكتلة الحيوية، ويتضمن خطوات مثل التعديل، والتحلل الحراري، والكربنة، ومعالجة الأسطح، مما يرفع التكاليف.
3 الخيزران: مورد متجدد بمشاركة صناعة الكربون النشط
المزايا: النمو السريع، الموارد الوفيرة، المعالجة الناضجة.
يُعد الخيزران من أكثر أنواع الخيزران زراعةً وقيمةً اقتصاديةً في الصين، حيث ينضج خلال 5-8 سنوات. ينمو على نطاق واسع من جبال تشينلينغ إلى حوض نهر اليانغتسي وتايوان، مع بعض الزراعة في منطقة النهر الأصفر. انخفاض تكلفته يجعل التحكم فيه سهلاً. يتضمن إنتاج الكربون الصلب من الخيزران معالجةً أوليةً للمواد الأولية، والكربنة، والمعالجة اللاحقة، على غرار الجرافيت الصناعي ولكن بدون الجرافيت. وقد دخلت شركات الكربون النشط، مثل شركة يوانلي، سوق الكربون الصلب المصنوع من الخيزران نظرًا لتداخل العمليات (مثل الكربنة).
العيوب: جودة المواد الخام غير متسقة:
يؤثر تباين عمر الخيزران وأصله على مستويات الشوائب (محتوى الرماد: 3-5%). يتطلب ارتفاع محتوى الرماد، الناتج عن امتصاص التربة له أثناء النمو، غسلًا حمضيًا مكثفًا (معالجات متكررة أو عالية التركيز).
4 القش: وفير ولكنه يتطلب حلولاً موحدة
المميزات: النفايات الزراعية، التكلفة المنخفضة للغاية.
القش، وهو بقايا سيقان وأوراق محاصيل مثل الأرز والقمح والذرة، متوفر بكثرة في الصين (أكثر من مليار طن سنويًا في عام ٢٠٢٣). يُستخدم تقليديًا كسماد أو وقود، ولا يتطلب أي تكلفة إضافية تقريبًا. تستخدم شركات مثل مجموعة شينغكوان التكرير الحيوي القائم على المذيبات لاستخراج اللجنين والسليلوز من القش، مما ينتج عنه راتنجات حيوية لسلائف الكربون الصلب المتجانس.
العيوب: تركيبة معقدة، شوائب عالية:
يتكون القش من السليلوز والهيميسليلوز واللجنين، وتختلف نسبها باختلاف المحصول وظروف النمو. كما يحتوي على الرماد (مثل ثاني أكسيد السيليكون) والأملاح غير العضوية والمبيدات الحشرية، والتي قد تُشكل شوائب أثناء عملية الكربنة، مما يُضعف الأداء الكهروكيميائي.
أي نوع من الكربون الحيوي الصلب سوف يسود؟
من أداء قشر جوز الهند إلى نقاء النشا، ووفرة الخيزران، وتكلفة القش، يتمتع كل منتج سابق بمزايا فريدة. ومن المرجح أن يعتمد سوق الكربون الصلب المستقبلي على تعايش متعدد المسارات.
المنافسة بين المواد الأولية للكربون الصلب: قشر جوز الهند، النشا، الخيزران، القش، أي منها لديه المزيد من الآفاق؟
أظهرت بطاريات أيون الصوديوم إمكانات كبيرة في مجال تخزين الطاقة على نطاق واسع بسبب مزاياها مثل الموارد الوفيرة والسلامة العالية والأداء الممتاز في درجات الحرارة المنخفضة.
باعتباره المادة الأساسية للبطارية، يؤثر القطب السالب بشكل مباشر على مؤشرات رئيسية مثل كثافة طاقة البطارية، وأداء الدورة، وكفاءة كولومب الأولى. أصبح الكربون الصلب الخيار الأمثل لمواد الأقطاب السالبة لبطاريات أيونات الصوديوم بفضل بنيته البلورية الفريدة غير المنظمة ومسامه الغنية. طبقاته الجرافيتية، ومسامه الدقيقة المغلقة، ومواقع عيوبه السطحية، قادرة على تخزين الصوديوم بكفاءة، وتتميز بسعة عالية. في الوقت الحالي، يتركز مفتاح التصنيع على اختيار أسلاف الكربون الصلب.
مسحوق ملحمي
مع تطور صناعة الكربون الصلب، مسحوق ملحمي تبرز كشريك موثوق لحلول المواد المتقدمة. متخصصون في معدات معالجة المساحيق الدقيقة، ونمكّن المصنّعين من تحسين تحضير المواد الأولية باستخدام أحدث تقنياتنا. مطحنة نفاثة الأنظمة. بالنسبة لمنتجي الكربون الصلب، فإن توسيع نطاق القدرة مسحوق ملحمي نوفر لك الموثوقية اللازمة للحفاظ على جودة الأنود. تواصل مع فريقنا الهندسي لمناقشة مواصفات مشروعك.