Le batterie agli ioni di sodio hanno dimostrato un grande potenziale nell'accumulo di energia su larga scala grazie ai loro vantaggi quali l'abbondanza di risorse, l'elevata sicurezza e le eccellenti prestazioni a bassa temperatura. Essendo il materiale del nucleo della batteria, l'elettrodo negativo influisce direttamente su parametri chiave come la densità energetica, le prestazioni del ciclo e l'efficienza coulombiana iniziale. Il carbonio duro, con la sua esclusiva struttura cristallina disordinata e l'abbondanza di pori, è diventato il materiale preferito per l'elettrodo negativo nelle batterie agli ioni di sodio. I suoi interstrati di grafite, i micropori chiusi e i siti di difetti superficiali consentono un efficiente accumulo di sodio, offrendo vantaggi di elevata capacità. Attualmente, la chiave per l'industrializzazione risiede nella selezione di precursori di carbonio duro.
I precursori di carbonio duro comunemente utilizzati includono materiali polimerici di origine biologica come gusci di cocco, amido, bambù e paglia, nonché materie prime chimiche come antracite, asfalto e resina fenolica. I prodotti di carbonio duro derivati da diversi precursori presentano notevoli variazioni di prestazioni e le loro strutture di costo variano significativamente a causa delle diverse fonti di materie prime.
Questo articolo analizza i quattro principali precursori della biomassa (guscio di cocco, amido, bambù e paglia) per valutarne i rispettivi vantaggi e svantaggi.
1. Guscio di cocco: alte prestazioni ma dipendente dalle importazioni
Vantaggi: elevata porosità, basso contenuto di ceneri, industrializzazione matura.
Il guscio di cocco, l'involucro interno delle noci di cocco ricavate dalle palme, viene utilizzato nel carbone attivo, nell'artigianato e nell'industria delle batterie per la produzione di energia. La giapponese Kuraray ha commercializzato carbone duro a base di guscio di cocco, impiegando processi come la carbonizzazione, la frantumazione, il trattamento alcalino, la purificazione termica e la deposizione chimica di vapore (CVD).
Svantaggi: fornitura limitata, dipendenza dalle importazioni:
La produzione nazionale è insufficiente e di durezza inferiore: le noci di cocco vengono coltivate principalmente in Indonesia, Filippine, Sri Lanka e India. La produzione principale della Cina è a Hainan (991 TP3T di produzione nazionale), ma la produzione annuale soddisfa solo circa 6 GWh di domanda di batterie, ben al di sotto del futuro fabbisogno di batterie agli ioni di sodio. Le noci di cocco di Hainan hanno una durezza inferiore a causa della luce solare più debole rispetto alle regioni tropicali.
Rischi legati all'importazione: dalla fine del 2024, i prezzi dei gusci di cocco carbonizzati sono aumentati vertiginosamente, causando instabilità nella catena di approvvigionamento per le aziende nazionali.
Bassa resa: la resa di produzione del carbone duro dai gusci di cocco è di sole 20%-25%, con 1 GWh di batterie che richiedono circa 1.500 tonnellate di carbone duro, il che richiede enormi quantità di materie prime.
2 Amido: fonti abbondanti ma lavorazione complessa
Vantaggi: mercato stabile, costi bassi.
L'amido, uno dei biomateriali rinnovabili più abbondanti (da mais, patate dolci, ecc.), offre un'ampia disponibilità e nessun rischio di dipendenza da un unico fornitore. Come tipico polisaccaride, l'amido ha un alto contenuto di carbonio e un basso costo. La sua naturale morfologia sferica lo rende un precursore competitivo per il carbonio solido, con una consistenza migliore (meno impurità) rispetto ai gusci di cocco e biodegradabilità, il che gli conferisce un vantaggio in termini di ecocompatibilità.
Svantaggi: sintesi complessa, costi più elevati:
L'amido è un polimero organico ad alta purezza. Sebbene consenta di ottenere morfologie di carbonio duro su misura attraverso specifici metodi di sintesi, il processo è complesso. Ad esempio, la BSTR cinese utilizza amido e altri materiali di biomassa, che comportano fasi come modificazione, pirolisi, carbonizzazione e trattamento superficiale, che ne aumentano i costi.
3. Bambù: risorsa rinnovabile con coinvolgimento dell'industria del carbone attivo
Vantaggi: crescita rapida, risorse abbondanti, elaborazione matura.
Il bambù è una delle specie di bambù più coltivate e di maggior valore economico in Cina, con una maturazione che dura dai 5 agli 8 anni. Cresce ampiamente dai Monti Qinling al bacino del fiume Yangtze e a Taiwan, con alcune coltivazioni nella regione del Fiume Giallo. Il suo basso costo lo rende controllabile. La produzione di carbone attivo dal bambù prevede un pretrattamento con precursori, una carbonizzazione e un post-trattamento, simili alla grafite artificiale ma senza grafitizzazione. Aziende produttrici di carbone attivo come Yuanli Co. sono entrate nel mercato del carbone attivo a base di bambù grazie alla sovrapposizione dei processi (ad esempio, la carbonizzazione).
Svantaggi: Qualità incoerente delle materie prime:
Le variazioni di età e origine del bambù influiscono sui livelli di impurità (contenuto di ceneri: 3-5%). Un elevato contenuto di ceneri, causato dall'assorbimento del terreno durante la crescita, richiede un lavaggio acido intensivo (trattamenti ripetuti o ad alta concentrazione).
4 Paglia: Abbondante ma richiede soluzioni uniformi
Vantaggi: Rifiuti agricoli, costi estremamente bassi.
La paglia, residuo di steli e foglie di colture come riso, grano e mais, è abbondante in Cina (oltre 1 miliardo di tonnellate all'anno nel 2023). Tradizionalmente utilizzata come fertilizzante o combustibile, non comporta praticamente alcun costo aggiuntivo. Aziende come Shengquan Group utilizzano la bioraffinazione a base di solventi per estrarre lignina e cellulosa dalla paglia, creando bioresine per precursori di carbonio duri e uniformi.
Svantaggi: Composizione complessa, elevate impurità:
La paglia è composta da cellulosa, emicellulosa e lignina, con rapporti che variano a seconda della coltura e delle condizioni di crescita. Contiene inoltre ceneri (ad esempio, SiO₂), sali inorganici e pesticidi, che possono formare fasi di impurità durante la carbonizzazione, degradando le prestazioni elettrochimiche.
Quale biomassa di carbonio duro prevarrà?
Dalle prestazioni del guscio di cocco alla purezza dell'amido, dall'abbondanza del bambù al vantaggio economico della paglia, ogni precursore ha punti di forza unici. Il futuro mercato del carbonio solido probabilmente accoglierà una coesistenza multidirezionale.
Competizione tra i precursori del carbonio: guscio di cocco, amido, bambù, paglia, quale ha più prospettive?
Le batterie agli ioni di sodio hanno dimostrato un grande potenziale nel campo dell'accumulo di energia su larga scala grazie ai loro vantaggi quali abbondanza di risorse, elevata sicurezza ed eccellenti prestazioni a basse temperature.
Essendo il materiale del nucleo della batteria, l'elettrodo negativo influenza direttamente indicatori chiave come la densità energetica della batteria, le prestazioni del ciclo e l'efficienza coulombiana iniziale. Il carbonio duro è diventato la prima scelta per i materiali dell'elettrodo negativo delle batterie agli ioni di sodio grazie alla sua esclusiva struttura cristallina disordinata e alla ricchezza di pori. I suoi interstrati di grafite, i micropori chiusi e i siti di difetti superficiali possono immagazzinare efficacemente il sodio e offrono un elevato vantaggio in termini di capacità. Attualmente, la chiave per l'industrializzazione si concentra sulla selezione di precursori in carbonio duro.
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