Las baterías de iones de sodio han demostrado un gran potencial en el almacenamiento de energía a gran escala gracias a sus ventajas, como la abundancia de recursos, la alta seguridad y el excelente rendimiento a bajas temperaturas. Como material del núcleo de la batería, el electrodo negativo influye directamente en parámetros clave como la densidad energética, el rendimiento del ciclo y la eficiencia coulombiana inicial. El carbono duro, con su singular estructura cristalina desordenada y abundantes poros, se ha convertido en el material preferido para el electrodo negativo de las baterías de iones de sodio. Sus intercapas de grafito, sus microporos cerrados y sus defectos superficiales permiten un almacenamiento eficiente del sodio, ofreciendo ventajas de alta capacidad. Actualmente, la clave para la industrialización reside en la selección de precursores de carbono duro.
Los precursores de carbono duro más utilizados incluyen materiales poliméricos de origen biológico como la cáscara de coco, el almidón, el bambú y la paja, así como materias primas químicas como la antracita, el asfalto y la resina fenólica. Los productos de carbono duro derivados de diferentes precursores presentan notables variaciones de rendimiento, y sus estructuras de costos difieren significativamente debido a las distintas fuentes de materias primas.
Este artículo analiza los cuatro principales precursores de biomasa (cáscara de coco, almidón, bambú y paja) para evaluar sus respectivas ventajas y desventajas.
1 Cáscara de coco: alto rendimiento pero dependiente de las importaciones
Ventajas: Altamente poroso, bajo contenido en cenizas, industrialización madura.
La cáscara de coco, la cáscara interna de los cocos de las palmeras, se utiliza en carbón activado, artesanías y en la industria de baterías de nuevas energías. La japonesa Kuraray ha comercializado carbón duro a base de cáscara de coco mediante procesos como carbonización, trituración, tratamiento alcalino, purificación térmica y deposición química de vapor (CVD).
Desventajas: Suministro limitado, dependencia de las importaciones:
La producción nacional es insuficiente y de menor dureza: Los cocos se cultivan principalmente en Indonesia, Filipinas, Sri Lanka e India. La principal producción de China se concentra en Hainan (991 TP3T de producción nacional), pero la producción anual solo cubre unos 6 GWh de la demanda de baterías, muy por debajo de las futuras necesidades de baterías de iones de sodio. Los cocos de Hainan tienen menor dureza debido a la menor exposición a la luz solar en comparación con las regiones tropicales.
Riesgos de importación: Desde finales de 2024, los precios de las cáscaras de coco carbonizadas se han disparado, lo que provoca inestabilidad en la cadena de suministro para las empresas nacionales.
Bajo rendimiento: el rendimiento de producción de carbono duro a partir de cáscaras de coco es de solo 20%-25%, y 1 GWh de baterías requieren aproximadamente 1.500 toneladas de carbono duro, lo que demanda grandes cantidades de materia prima.
2 Almidón: Fuentes abundantes pero procesamiento complejo
Ventajas: Mercado estable, bajo costo.
El almidón, uno de los biomateriales renovables más abundantes (procedente del maíz, la batata, etc.), ofrece amplia disponibilidad y no presenta riesgos de un solo proveedor. Como polisacárido típico, el almidón tiene un alto contenido de carbono y es económico. Su morfología esférica natural lo convierte en un precursor competitivo del carbono duro, con mejor consistencia (menos impurezas) que la cáscara de coco y biodegradabilidad, lo que le otorga una ventaja en cuanto a respeto al medio ambiente.
Desventajas: Síntesis compleja, costes más elevados:
El almidón es un polímero orgánico de alta pureza. Si bien permite morfologías de carbono duro personalizadas mediante métodos de síntesis específicos, el proceso es complejo. Por ejemplo, el BSTR de China utiliza almidón y otros materiales de biomasa, lo que implica pasos como modificación, pirólisis, carbonización y tratamiento de superficies, lo que incrementa los costos.
3. Bambú: Recurso renovable con participación activa de la industria del carbón.
Ventajas: Crecimiento rápido, recursos abundantes, procesamiento maduro.
El bambú es una de las especies de bambú más cultivadas y de mayor valor económico en China, con una maduración de 5 a 8 años. Crece ampliamente desde las montañas Qinling hasta la cuenca del río Yangtsé y Taiwán, con algunos cultivos en la región del río Amarillo. Su bajo costo lo hace controlable. La producción de carbono duro a partir del bambú implica un pretratamiento, carbonización y postratamiento de precursores, similar al grafito artificial, pero sin grafitización. Empresas de carbón activo como Yuanli Co. han entrado en el mercado del carbono duro a base de bambú debido a la superposición de procesos (por ejemplo, la carbonización).
Desventajas: Calidad inconsistente de la materia prima:
Las variaciones en la edad y el origen del bambú afectan los niveles de impurezas (contenido de cenizas: 3-5%). El alto contenido de cenizas, causado por la absorción del suelo durante el crecimiento, requiere un lavado ácido intensivo (tratamientos repetidos o de alta concentración).
4. Paja: Abundante pero requiere soluciones de uniformidad.
Ventajas: Residuos agrícolas, coste ultra bajo.
La paja, el residuo de tallo y hojas de cultivos como el arroz, el trigo y el maíz, es abundante en China (más de mil millones de toneladas anuales en 2023). Tradicionalmente utilizada como fertilizante o combustible, prácticamente no genera costos adicionales. Empresas como Shengquan Group utilizan la biorrefinación con solventes para extraer lignina y celulosa de la paja, creando biorresinas para precursores de carbono duro uniformes.
Desventajas: Composición compleja, altas impurezas:
La paja se compone de celulosa, hemicelulosa y lignina, cuyas proporciones varían según el cultivo y las condiciones de crecimiento. También contiene cenizas (p. ej., SiO₂), sales inorgánicas y pesticidas, que pueden formar fases de impurezas durante la carbonización, lo que degrada el rendimiento electroquímico.
¿Qué carbono duro de biomasa prevalecerá?
Desde el rendimiento de la cáscara de coco hasta la pureza del almidón, la abundancia del bambú y la ventaja de precio de la paja, cada precursor tiene ventajas únicas. El futuro mercado del carbono duro probablemente adoptará una coexistencia de múltiples rutas.
Competencia por los precursores de carbono duro: cáscara de coco, almidón, bambú, paja, ¿cuál tiene más perspectivas?
Las baterías de iones de sodio han demostrado un gran potencial en el campo del almacenamiento de energía a gran escala debido a sus ventajas, como abundantes recursos, alta seguridad y excelente rendimiento a baja temperatura.
Como material del núcleo de la batería, el electrodo negativo afecta directamente indicadores clave como la densidad energética, el rendimiento del ciclo y la primera eficiencia coulombiana. El carbono duro se ha convertido en la opción preferida para los materiales de electrodos negativos de baterías de iones de sodio debido a su singular estructura cristalina desordenada y su rica porosidad. Sus intercapas de grafito, microporos cerrados y defectos superficiales permiten almacenar sodio eficientemente y ofrecen una gran ventaja de capacidad. Actualmente, la clave para la industrialización se centra en la selección de precursores de carbono duro.
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