Natrium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer Vorteile wie reichlicher Ressourcen, hoher Sicherheit und exzellentem Tieftemperaturverhalten großes Potenzial für die Energiespeicherung im großen Maßstab bewiesen. Als Kernmaterial der Batterie beeinflusst die negative Elektrode wichtige Kennzahlen wie Energiedichte, Zyklenleistung und anfängliche Coulomb-Effizienz direkt. Hartkohlenstoff mit seiner einzigartigen ungeordneten Kristallstruktur und seinen zahlreichen Poren hat sich als bevorzugtes Material für die negative Elektrode von Natrium-Ionen-Batterien etabliert. Seine Graphitzwischenschichten, geschlossenen Mikroporen und Oberflächendefekte ermöglichen eine effiziente Natriumspeicherung und bieten Vorteile hinsichtlich hoher Kapazität. Der Schlüssel zur Industrialisierung liegt derzeit in der Auswahl der Hartkohlenstoff-Vorläufer.
Zu den häufig verwendeten Hartkohlenstoffvorläufern gehören biobasierte Polymermaterialien wie Kokosnussschalen, Stärke, Bambus und Stroh sowie chemische Rohstoffe wie Anthrazit, Asphalt und Phenolharz. Hartkohlenstoffprodukte aus verschiedenen Vorläufern weisen erhebliche Leistungsunterschiede auf, und ihre Kostenstrukturen unterscheiden sich aufgrund unterschiedlicher Rohstoffquellen erheblich.
In diesem Artikel werden die vier wichtigsten Biomassevorläufer – Kokosnussschalen, Stärke, Bambus und Stroh – analysiert, um ihre jeweiligen Vor- und Nachteile zu bewerten.
1 Kokosnussschale: Leistungsstark, aber importabhängig
Vorteile: Hohe Porosität, geringer Aschegehalt, ausgereifte Industrialisierung.
Kokosnussschalen, die innere Schale von Kokosnüssen, werden für Aktivkohle, Kunsthandwerk und die Batterieindustrie für neue Energien verwendet. Das japanische Unternehmen Kuraray hat Hartkohle auf Kokosnussschalenbasis kommerzialisiert und dabei Verfahren wie Karbonisierung, Zerkleinerung, Alkalibehandlung, Wärmereinigung und CVD eingesetzt.
Nachteile: Begrenztes Angebot, Abhängigkeit von Importen:
Die inländische Produktion ist unzureichend und weist eine geringere Härte auf: Kokosnüsse werden hauptsächlich in Indonesien, den Philippinen, Sri Lanka und Indien angebaut. Chinas Hauptproduktionsstandort ist Hainan (991 Tsd. Tonnen Inlandsproduktion), die jährliche Produktion deckt jedoch nur etwa 6 GWh des Batteriebedarfs und liegt damit weit unter dem zukünftigen Bedarf an Natrium-Ionen-Batterien. Kokosnüsse aus Hainan haben aufgrund der schwächeren Sonneneinstrahlung im Vergleich zu tropischen Regionen eine geringere Härte.
Importrisiken: Seit Ende 2024 sind die Preise für karbonisierte Kokosnussschalen stark angestiegen, was zu Instabilitäten in der Lieferkette inländischer Unternehmen führt.
Geringe Ausbeute: Die Produktionsausbeute von Hartkohlenstoff aus Kokosnussschalen beträgt lediglich 201–251 TP3T. Für 1 GWh Batterien werden etwa 1.500 Tonnen Hartkohlenstoff benötigt, was enorme Rohstoffmengen erfordert.
2 Stärke: Reichlich vorhandene Quellen, aber komplexe Verarbeitung
Vorteile: Stabiler Markt, niedrige Kosten.
Stärke, einer der am häufigsten vorkommenden erneuerbaren Biostoffe (aus Mais, Süßkartoffeln usw.), ist weit verbreitet und unterliegt keinem Lieferantenrisiko. Als typisches Polysaccharid hat Stärke einen hohen Kohlenstoffgehalt und ist kostengünstig. Ihre natürliche Kugelform macht sie zu einem wettbewerbsfähigen Vorläufer für Hartkohlenstoff. Sie weist eine bessere Konsistenz (weniger Verunreinigungen) als Kokosnussschalen auf und ist biologisch abbaubar, was ihr einen Vorteil in Sachen Umweltfreundlichkeit verschafft.
Nachteile: Aufwendige Synthese, höhere Kosten:
Stärke ist ein hochreiner organischer Polymer. Durch spezielle Syntheseverfahren ermöglicht sie zwar maßgeschneiderte harte Kohlenstoffmorphologien, doch der Prozess ist komplex. Beispielsweise verwendet Chinas BSTR Stärke und andere Biomassematerialien. Dies erfordert Schritte wie Modifizierung, Pyrolyse, Karbonisierung und Oberflächenbehandlung, die die Kosten in die Höhe treiben.
3 Bambus: Erneuerbarer Rohstoff mit aktiver Kohlenstoffindustriebeteiligung
Vorteile: Schnelles Wachstum, reichlich Ressourcen, ausgereifte Verarbeitung.
Bambus ist eine der am häufigsten angebauten und wirtschaftlich wertvollsten Bambusarten Chinas und reift in 5–8 Jahren. Er wächst weit verbreitet vom Qinling-Gebirge bis zum Jangtse-Becken und Taiwan, mit einigen Anbaugebieten in der Region des Gelben Flusses. Seine niedrigen Kosten machen ihn kontrollierbar. Die Herstellung von Hartkohlenstoff aus Bambus umfasst eine Vorbehandlung, Karbonisierung und Nachbehandlung, ähnlich wie bei künstlichem Graphit, jedoch ohne Graphitierung. Aktivkohleunternehmen wie Yuanli Co. sind aufgrund sich überschneidender Prozesse (z. B. Karbonisierung) in den Markt für Hartkohlenstoffe auf Bambusbasis eingestiegen.
Nachteile: Inkonsistente Rohstoffqualität:
Unterschiede im Alter und der Herkunft des Bambus beeinflussen den Verunreinigungsgrad (Aschegehalt: 3-5%). Ein hoher Aschegehalt, der durch die Aufnahme des Bodens während des Wachstums entsteht, erfordert eine intensive Säurewäsche (wiederholte oder hochkonzentrierte Behandlungen).
4 Stroh: Reichlich vorhanden, erfordert aber einheitliche Lösungen
Vorteile: Agrarabfälle, extrem niedrige Kosten.
Stroh, die Stängel- und Blattreste von Nutzpflanzen wie Reis, Weizen und Mais, ist in China in großen Mengen vorhanden (über 1 Milliarde Tonnen jährlich im Jahr 2023). Traditionell als Dünger oder Brennstoff verwendet, verursacht es nahezu keine zusätzlichen Kosten. Unternehmen wie die Shengquan Group nutzen lösungsmittelbasierte Bioraffination, um Lignin und Zellulose aus Stroh zu extrahieren und daraus Bioharze für einheitliche, harte Kohlenstoffvorläufer herzustellen.
Nachteile: Komplexe Zusammensetzung, hohe Verunreinigungen:
Stroh besteht aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin, wobei die Anteile je nach Ernte und Wachstumsbedingungen variieren. Es enthält außerdem Asche (z. B. SiO₂), anorganische Salze und Pestizide, die bei der Karbonisierung Verunreinigungsphasen bilden und die elektrochemische Leistung beeinträchtigen können.
Welcher Biomasse-Hartkohlenstoff wird sich durchsetzen?
Von der Leistungsfähigkeit der Kokosnussschale über die Reinheit der Stärke und das reichlich vorhandene Bambusvorkommen bis hin zum Kostenvorteil von Stroh – jeder Ausgangsstoff hat seine eigenen Stärken. Der zukünftige Markt für Hartkohlenstoffe wird wahrscheinlich eine Koexistenz mehrerer Wege ermöglichen.
Wettbewerb der Hartkohlenstoff-Vorläufer: Kokosnussschale, Stärke, Bambus, Stroh – was hat mehr Aussichten?
Natrium-Ionen-Batterien haben aufgrund ihrer Vorteile wie reichlich vorhandene Ressourcen, hohe Sicherheit und hervorragendes Verhalten bei niedrigen Temperaturen großes Potenzial im Bereich der Energiespeicherung im großen Maßstab gezeigt.
Als Kernmaterial der Batterie beeinflusst die negative Elektrode wichtige Kennzahlen wie Energiedichte, Zyklenleistung und Coulomb-Effizienz direkt. Hartkohlenstoff hat sich aufgrund seiner einzigartigen ungeordneten Kristallstruktur und seiner Porenvielfalt als Material für negative Elektroden in Natriumionenbatterien etabliert. Seine Graphitzwischenschichten, geschlossenen Mikroporen und Oberflächendefekte können Natrium effizient speichern und bieten einen hohen Kapazitätsvorteil. Der Schlüssel zur Industrialisierung liegt derzeit in der Auswahl von Hartkohlenstoffvorläufern.
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