Natrium-ionbatterijen hebben een groot potentieel aangetoond voor grootschalige energieopslag dankzij hun voordelen zoals overvloedige bronnen, hoge veiligheid en uitstekende prestaties bij lage temperaturen. Als kernmateriaal van de batterij heeft de negatieve elektrode een directe invloed op belangrijke parameters zoals energiedichtheid, cyclusprestaties en initiële Coulombische efficiëntie. Harde koolstof, met zijn unieke ongeordende kristalstructuur en overvloedige poriën, is het voorkeursmateriaal voor negatieve elektroden voor natrium-ionbatterijen geworden. De grafiettussenlagen, gesloten microporiën en oppervlaktedefecten maken efficiënte natriumopslag mogelijk, wat voordelen biedt op het gebied van hoge capaciteit. De sleutel tot industrialisatie ligt momenteel in de selectie van precursors voor harde koolstof.
Veelgebruikte precursoren van harde koolstof zijn onder andere biobased polymeermaterialen zoals kokosnootschalen, zetmeel, bamboe en stro, evenals chemische grondstoffen zoals antraciet, asfalt en fenolhars. Producten van harde koolstof die van verschillende precursors afkomstig zijn, vertonen aanzienlijke prestatieverschillen en hun kostenstructuren lopen aanzienlijk uiteen vanwege de verschillende grondstoffenbronnen.
In dit artikel worden de vier belangrijkste biomassaprecurrenten – kokosnootschalen, zetmeel, bamboe en stro – geanalyseerd om hun respectievelijke voor- en nadelen te evalueren!
1 Kokosnootschaal: hoge prestaties, maar afhankelijk van import
Voordelen: Zeer poreus, laag asgehalte, volwassen industrialisatie.
Kokosnootschil, de binnenste schil van kokosnoten van palmbomen, wordt gebruikt in actieve kool, ambachten en de nieuwe energiebatterijindustrie. Het Japanse Kuraray heeft harde koolstof op basis van kokosnootschil op de markt gebracht, waarbij gebruik wordt gemaakt van processen zoals carbonisatie, vermaling, alkalische behandeling, warmtezuivering en CVD.
Nadelen: Beperkt aanbod, afhankelijkheid van import:
De binnenlandse productie is onvoldoende en heeft een lagere hardheid: kokosnoten worden voornamelijk geteeld in Indonesië, de Filipijnen, Sri Lanka en India. China's belangrijkste productie vindt plaats in Hainan (99% van de binnenlandse productie), maar de jaarlijkse productie dekt slechts ongeveer 6 GWh aan batterijbehoefte, ver onder de toekomstige behoefte aan natriumionbatterijen. Kokosnoten uit Hainan hebben een lagere hardheid door minder zonlicht in vergelijking met tropische gebieden.
Importrisico's: Sinds eind 2024 zijn de prijzen voor gecarboniseerde kokosnootschalen sterk gestegen, wat voor instabiliteit in de toeleveringsketen van binnenlandse bedrijven zorgt.
Lage opbrengst: De productieopbrengst van harde koolstof uit kokosnootschalen bedraagt slechts 20%-25%, terwijl 1 GWh aan batterijen ongeveer 1.500 ton harde koolstof vereist, wat enorme hoeveelheden grondstoffen vereist.
2 Zetmeel: overvloedige bronnen, maar complexe verwerking
Voordelen: Stabiele markt, lage kosten.
Zetmeel, een van de meest voorkomende hernieuwbare biomaterialen (uit maïs, zoete aardappelen, enz.), is breed beschikbaar en er is geen risico dat er maar één leverancier bij betrokken is. Als typische polysacharide heeft zetmeel een hoog koolstofgehalte en lage kosten. De natuurlijke bolvormige morfologie maakt het een concurrerende voorloper voor harde koolstof, met een betere consistentie (minder onzuiverheden) dan kokosnootschalen en biologische afbreekbaarheid, wat het een voorsprong geeft op het gebied van milieuvriendelijkheid.
Nadelen: Complexe synthese, hogere kosten:
Zetmeel is een zeer zuiver organisch polymeer. Hoewel het via specifieke synthesemethoden op maat gemaakte harde koolstofmorfologieën mogelijk maakt, is het proces complex. Zo gebruikt het Chinese BSTR zetmeel en andere biomassamaterialen, waarbij stappen zoals modificatie, pyrolyse, carbonisatie en oppervlaktebehandeling een rol spelen, wat de kosten opdrijft.
3 Bamboe: hernieuwbare hulpbron met actieve koolstofindustrie
Voordelen: snelle groei, ruime beschikbaarheid van grondstoffen, zorgvuldige verwerking.
Bamboe is een van China's meest gecultiveerde en economisch waardevolle bamboesoorten en rijpt in 5-8 jaar. Het groeit op grote schaal, van het Qinling-gebergte tot het Yangtze-bekken en Taiwan, met enige teelt in de regio van de Gele Rivier. Door de lage kosten is het beheersbaar. De productie van harde koolstof uit bamboe omvat voorbehandeling, carbonisatie en nabehandeling van precursors, vergelijkbaar met kunstmatig grafiet, maar zonder grafitisatie. Actieve-koolstofbedrijven zoals Yuanli Co. zijn de markt voor harde koolstof op basis van bamboe binnengekomen dankzij overlappende processen (bijvoorbeeld carbonisatie).
Nadelen: Inconsistente kwaliteit van de grondstoffen:
Variaties in leeftijd en herkomst van bamboe beïnvloeden de hoeveelheid onzuiverheden (asgehalte: 3-5%). Een hoog asgehalte, veroorzaakt door de absorptie van grond tijdens de groei, vereist intensieve zuurwassing (herhaalde of hooggeconcentreerde behandelingen).
4 Stro: Overvloedig, maar vereist uniforme oplossingen
Voordelen: Landbouwafval, extreem lage kosten.
Stro, het stengel- en bladrestant van gewassen zoals rijst, tarwe en maïs, is in grote hoeveelheden aanwezig in China (meer dan 1 miljard ton per jaar in 2023). Het wordt traditioneel gebruikt als meststof of brandstof en brengt vrijwel geen extra kosten met zich mee. Bedrijven zoals Shengquan Group gebruiken bioraffinage op basis van oplosmiddelen om lignine en cellulose uit stro te extraheren, waardoor bioharsen ontstaan voor uniforme harde koolstofprecursoren.
Nadelen: Complexe samenstelling, hoge gehaltes aan onzuiverheden:
Stro bestaat uit cellulose, hemicellulose en lignine, waarbij de verhoudingen variëren afhankelijk van het gewas en de groeiomstandigheden. Het bevat ook as (bijv. SiO₂), anorganische zouten en pesticiden, die tijdens de carbonisatie onzuiverheden kunnen vormen, waardoor de elektrochemische prestaties afnemen.
Welke biomassa-harde koolstof zal de overhand krijgen?
Van de prestaties van kokosnootschalen tot de zuiverheid van zetmeel, de overvloed aan bamboe en de prijs van stro: elke voorloper heeft unieke sterke punten. De toekomstige markt voor harde koolstof zal waarschijnlijk een coëxistentie van meerdere routes omarmen.
Concurrentie op het gebied van harde koolstofprecursoren: kokosnootschaal, zetmeel, bamboe, stro. Welke optie biedt de meeste kans?
Natriumionbatterijen hebben een groot potentieel op het gebied van grootschalige energieopslag vanwege hun voordelen, zoals overvloedige bronnen, hoge veiligheid en uitstekende prestaties bij lage temperaturen.
Als kernmateriaal van de batterij heeft de negatieve elektrode directe invloed op belangrijke indicatoren zoals de energiedichtheid, cyclusprestaties en eerste Coulombische efficiëntie van de batterij. Harde koolstof is de eerste keuze geworden voor materialen voor de negatieve elektrode van natriumionbatterijen vanwege de unieke ongeordende kristalstructuur en rijke poriën. De grafiettussenlagen, gesloten microporiën en oppervlaktedefecten kunnen natrium efficiënt opslaan en bieden een hoog capaciteitsvoordeel. Momenteel ligt de sleutel tot industrialisatie in de selectie van precursors voor harde koolstof.
Episch poeder
Naarmate de harde koolstofindustrie evolueert, Episch poeder profileert zich als een betrouwbare partner voor geavanceerde materiaaloplossingen. Gespecialiseerd in precisieapparatuur voor poederverwerking, stellen we fabrikanten in staat de voorbereiding van precursormaterialen te optimaliseren met onze geavanceerde straal molen Systemen. Voor de schaalvergroting van de capaciteit van producenten van hard koolstof, Episch poeder Levert de procesbetrouwbaarheid die nodig is om een consistente anodekwaliteit te behouden. Neem contact op met ons engineeringteam om uw projectspecificaties te bespreken.