Les batteries sodium-ion ont démontré un fort potentiel pour le stockage d'énergie à grande échelle grâce à leurs atouts tels que l'abondance des ressources, une sécurité élevée et d'excellentes performances à basse température. En tant que matériau de base de la batterie, l'électrode négative influence directement des paramètres clés tels que la densité énergétique, la performance du cycle et le rendement coulombien initial. Le carbone dur, avec sa structure cristalline désordonnée unique et ses nombreux pores, est devenu le matériau d'électrode négative privilégié pour les batteries sodium-ion. Ses intercalaires en graphite, ses micropores fermés et ses défauts de surface permettent un stockage efficace du sodium, offrant ainsi des avantages en termes de capacité. Actuellement, la clé de l'industrialisation réside dans la sélection de précurseurs en carbone dur.
Les précurseurs de carbone dur couramment utilisés comprennent des matériaux polymères biosourcés tels que la coque de noix de coco, l'amidon, le bambou et la paille, ainsi que des matières premières chimiques comme l'anthracite, l'asphalte et la résine phénolique. Les produits de carbone dur dérivés de différents précurseurs présentent des performances sensiblement différentes et leurs structures de coûts diffèrent considérablement en raison de la diversité des sources de matières premières.
Cet article analyse les quatre principaux précurseurs de la biomasse — la coque de noix de coco, l’amidon, le bambou et la paille — pour évaluer leurs avantages et inconvénients respectifs !
1 coque de noix de coco : haute performance mais dépendante des importations
Avantages : Très poreux, faible teneur en cendres, industrialisation mature.
La coque de noix de coco, l'enveloppe interne des noix de coco issues des palmiers, est utilisée dans le charbon actif, l'artisanat et l'industrie des batteries à énergie nouvelle. L'entreprise japonaise Kuraray a commercialisé du charbon dur à base de coque de noix de coco, utilisant des procédés tels que la carbonisation, le broyage, le traitement alcalin, la purification thermique et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Inconvénients : Offre limitée, dépendance aux importations :
La production nationale est insuffisante et sa dureté est moindre : les noix de coco sont principalement cultivées en Indonésie, aux Philippines, au Sri Lanka et en Inde. La principale production chinoise se trouve à Hainan (991 TP3T de production nationale), mais la production annuelle ne couvre qu'environ 6 GWh de la demande en batteries, ce qui est bien inférieur aux besoins futurs en batteries sodium-ion. Les noix de coco de Hainan ont une dureté plus faible en raison d'un ensoleillement plus faible que dans les régions tropicales.
Risques d’importation : Depuis fin 2024, les prix des coques de noix de coco carbonisées ont grimpé en flèche, provoquant une instabilité de la chaîne d’approvisionnement pour les entreprises nationales.
Faible rendement : Le rendement de production de carbone dur à partir de coques de noix de coco n'est que de 20%-25%, avec 1 GWh de batteries nécessitant environ 1 500 tonnes de carbone dur, exigeant de grandes quantités de matières premières.
2 Amidon : des sources abondantes mais un traitement complexe
Avantages : Marché stable, faible coût.
L'amidon, l'un des biomatériaux renouvelables les plus abondants (issus du maïs, des patates douces, etc.), offre une grande disponibilité et ne présente aucun risque lié à un fournisseur unique. Polysaccharide typique, l'amidon présente une teneur élevée en carbone et un faible coût. Sa morphologie sphérique naturelle en fait un précurseur compétitif du carbone dur, avec une meilleure consistance (moins d'impuretés) que les coques de noix de coco et une biodégradabilité accrue, ce qui lui confère un avantage écologique.
Inconvénients : Synthèse complexe, coûts plus élevés :
L'amidon est un polymère organique de haute pureté. Bien qu'il permette d'obtenir des morphologies de carbone dur sur mesure grâce à des méthodes de synthèse spécifiques, le processus est complexe. Par exemple, le BSTR chinois utilise de l'amidon et d'autres matériaux issus de la biomasse, impliquant des étapes telles que la modification, la pyrolyse, la carbonisation et le traitement de surface, ce qui augmente les coûts.
3 Bambou : Ressource renouvelable avec implication de l'industrie du charbon actif
Avantages : Croissance rapide, ressources abondantes, transformation mature.
Le bambou est l'une des espèces de bambou les plus cultivées et les plus rentables de Chine, atteignant sa maturité en 5 à 8 ans. Il est largement répandu des monts Qinling au bassin du Yangtsé et à Taïwan, avec quelques cultures dans la région du fleuve Jaune. Son faible coût le rend contrôlable. La production de charbon actif à partir de bambou implique un prétraitement, une carbonisation et un post-traitement des précurseurs, similaires au graphite artificiel, mais sans graphitisation. Des entreprises de charbon actif comme Yuanli Co. ont pénétré le marché du charbon actif à base de bambou grâce à des procédés similaires (par exemple, la carbonisation).
Inconvénients : Qualité inégale des matières premières :
Les variations d'âge et d'origine du bambou influent sur les niveaux d'impuretés (teneur en cendres : 3-5%). Une teneur élevée en cendres, due à l'absorption du sol pendant la croissance, nécessite un lavage acide intensif (traitements répétés ou à forte concentration).
4 Paille : Abondante mais nécessite des solutions d'uniformité
Avantages : Déchet agricole, coût ultra-faible.
La paille, résidu de tiges et de feuilles de cultures comme le riz, le blé et le maïs, est abondante en Chine (plus d'un milliard de tonnes par an en 2023). Traditionnellement utilisée comme engrais ou carburant, elle n'entraîne quasiment aucun coût supplémentaire. Des entreprises comme Shengquan Group utilisent le bioraffinage à base de solvants pour extraire la lignine et la cellulose de la paille, créant ainsi des biorésines pour des précurseurs de carbone dur uniformes.
Inconvénients : Composition complexe, forte teneur en impuretés :
La paille est composée de cellulose, d'hémicellulose et de lignine, dont les proportions varient selon la culture et les conditions de croissance. Elle contient également des cendres (par exemple, SiO₂), des sels inorganiques et des pesticides, qui peuvent former des phases d'impuretés lors de la carbonisation, dégradant ainsi les performances électrochimiques.
Quel carbone dur de biomasse prévaudra ?
De la performance de la coque de noix de coco à la pureté de l'amidon, en passant par l'abondance du bambou et le prix avantageux de la paille, chaque précurseur possède des atouts uniques. Le futur marché du carbone dur adoptera probablement une coexistence multi-voies.
Concurrence des précurseurs de carbone dur : coque de noix de coco, amidon, bambou, paille, lequel a le plus de perspectives ?
Les batteries sodium-ion ont montré un grand potentiel dans le domaine du stockage d'énergie à grande échelle en raison de leurs avantages tels que des ressources abondantes, une sécurité élevée et d'excellentes performances à basse température.
En tant que matériau de base de la batterie, l'électrode négative influence directement des indicateurs clés tels que la densité énergétique, les performances cycliques et le premier rendement coulombien. Le carbone dur est devenu le matériau de choix pour les électrodes négatives des batteries sodium-ion grâce à sa structure cristalline désordonnée unique et à ses pores riches. Ses intercalaires de graphite, ses micropores fermés et ses défauts de surface permettent un stockage efficace du sodium et présentent un avantage de capacité élevé. Actuellement, la clé de l'industrialisation réside dans la sélection de précurseurs de carbone dur.
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