Натрий-ионные аккумуляторы продемонстрировали большой потенциал в области крупномасштабного хранения энергии благодаря таким преимуществам, как обилие ресурсов, высокая безопасность и превосходные низкотемпературные характеристики. Отрицательный электрод, являясь основным материалом аккумулятора, напрямую влияет на такие ключевые показатели, как плотность энергии, циклируемость и начальная кулоновская эффективность. Твёрдый углерод с его уникальной неупорядоченной кристаллической структурой и обильным количеством пор стал предпочтительным материалом для отрицательного электрода для натрий-ионных аккумуляторов. Его графитовые прослойки, закрытые микропоры и дефектные участки поверхности обеспечивают эффективное хранение натрия, обеспечивая высокую ёмкость. В настоящее время ключом к индустриализации является выбор прекурсоров твёрдого углерода.
В качестве прекурсоров для получения твёрдого углерода обычно используются биополимерные материалы, такие как скорлупа кокосовых орехов, крахмал, бамбук и солома, а также химическое сырье, такое как антрацит, асфальт и фенольная смола. Твёрдые углеродные продукты, полученные из разных прекурсоров, демонстрируют значительные различия в эксплуатационных характеристиках, а их стоимость существенно различается из-за различий в источниках сырья.
В этой статье анализируются четыре основных предшественника биомассы — кокосовая скорлупа, крахмал, бамбук и солома — для оценки их преимуществ и недостатков!
1. Кокосовая скорлупа: высокая производительность, но зависимость от импорта
Преимущества: Высокая пористость, низкая зольность, зрелая индустриализация.
Кокосовая скорлупа, внутренняя оболочка кокосовых пальм, используется в производстве активированного угля, ремесленных изделий и новых источников энергии. Японская компания Kuraray вывела на рынок твердый уголь на основе кокосовой скорлупы, используя такие процессы, как карбонизация, дробление, щелочная обработка, термическая очистка и химическое осаждение из газовой фазы.
Недостатки: Ограниченные поставки, зависимость от импорта.
Внутреннего производства недостаточно, и кокосы имеют меньшую твёрдость: кокосы выращиваются преимущественно в Индонезии, на Филиппинах, Шри-Ланке и в Индии. Основное производство в Китае сосредоточено на Хайнане (991 т/га внутреннего производства), но годовое производство покрывает лишь около 6 ГВт·ч потребности в аккумуляторах, что значительно меньше будущих потребностей в натрий-ионных аккумуляторах. Кокосы с Хайнаня имеют меньшую твёрдость из-за более слабого солнечного света по сравнению с тропическими регионами.
Риски, связанные с импортом: с конца 2024 года цены на обугленную скорлупу кокосовых орехов резко выросли, что привело к нестабильности в цепочке поставок для отечественных компаний.
Низкий выход: выход твердого углерода из скорлупы кокосовых орехов составляет всего 20%-25%, при этом для батарей мощностью 1 ГВт·ч требуется около 1500 тонн твердого углерода, что требует огромных объемов сырья.
2. Крахмал: богатые источники, но сложная переработка
Преимущества: Стабильный рынок, низкая стоимость.
Крахмал, один из самых распространённых возобновляемых биоматериалов (из кукурузы, батата и т. д.), широко доступен и не связан с риском, связанным с одним поставщиком. Будучи типичным полисахаридом, крахмал отличается высоким содержанием углерода и низкой стоимостью. Его естественная сферическая структура делает его конкурентоспособным прекурсором для получения твёрдого углерода, обладая лучшей консистенцией (меньше примесей), чем кокосовая скорлупа, и биоразлагаемостью, что даёт ему преимущество с точки зрения экологичности.
Недостатки: сложный синтез, более высокие затраты.
Крахмал — это высокочистый органический полимер. Хотя он позволяет получать твёрдый углерод с заданной морфологией благодаря специальным методам синтеза, сам процесс его получения сложен. Например, китайский BSTR использует крахмал и другие материалы из биомассы, включая такие этапы, как модификация, пиролиз, карбонизация и обработка поверхности, что повышает стоимость.
3. Бамбук: возобновляемый ресурс с участием индустрии активного углерода
Преимущества: Быстрый рост, обильные ресурсы, развитая переработка.
Бамбук — один из самых культивируемых и экономически ценных видов бамбука в Китае, созревающий за 5–8 лет. Он широко распространён от гор Циньлин до бассейна реки Янцзы и Тайваня, а также культивируется в районе Хуанхэ. Низкая стоимость позволяет контролировать его производство. Производство твёрдого углерода из бамбука включает предварительную обработку, карбонизацию и последующую обработку, аналогичную обработке искусственного графита, но без графитизации. Компании, производящие активированный уголь, такие как Yuanli Co., вышли на рынок твёрдого углерода из бамбука благодаря использованию смежных процессов (например, карбонизации).
Недостатки: Непостоянное качество сырья:
Различия в возрасте и происхождении бамбука влияют на уровень примесей (зольность: 3-5%). Высокая зольность, вызванная поглощением влаги почвой во время роста, требует интенсивной промывки кислотой (повторной или высококонцентрированной).
4. Солома: в изобилии, но требуются решения для обеспечения однородности
Преимущества: сельскохозяйственные отходы, сверхнизкая стоимость.
Солома, стебельно-листовые остатки таких культур, как рис, пшеница и кукуруза, в изобилии представлена в Китае (более 1 млрд тонн в год в 2023 году). Традиционно используемая в качестве удобрения или топлива, она практически не требует дополнительных затрат. Такие компании, как Shengquan Group, используют биоочистку на основе растворителей для извлечения лигнина и целлюлозы из соломы, создавая биосмолы для получения однородных твердых углеродных прекурсоров.
Недостатки: Сложный состав, большое количество примесей.
Солома состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, соотношение которых варьируется в зависимости от культуры и условий выращивания. Она также содержит золу (например, SiO₂), неорганические соли и пестициды, которые могут образовывать примесные фазы при карбонизации, ухудшая электрохимические характеристики.
Какая биомасса твердого углерода будет преобладать?
От эффективности кокосовой скорлупы до чистоты крахмала, от обилия бамбука до низкой стоимости соломы — каждый прекурсор обладает уникальными преимуществами. Будущий рынок твёрдого углерода, вероятно, будет строиться на сосуществовании различных маршрутов.
Конкуренция среди прекурсоров твердого углерода: кокосовая скорлупа, крахмал, бамбук, солома — какой из них имеет больше перспектив?
Натрий-ионные аккумуляторы продемонстрировали большой потенциал в области крупномасштабного хранения энергии благодаря таким преимуществам, как обильные ресурсы, высокая безопасность и превосходные низкотемпературные характеристики.
Будучи основным материалом аккумулятора, отрицательный электрод напрямую влияет на такие ключевые показатели, как плотность энергии, циклируемость и эффективность по первому кулоновскому заряду. Твёрдый углерод стал основным материалом для отрицательных электродов натрий-ионных аккумуляторов благодаря своей уникальной неупорядоченной кристаллической структуре и богатым порам. Его графитовые прослойки, закрытые микропоры и дефектные участки поверхности позволяют эффективно накапливать натрий и обеспечивают высокую ёмкость. В настоящее время ключ к индустриализации сосредоточен на выборе прекурсоров твёрдого углерода.
Эпический порошок
По мере развития отрасли производства твердого углерода Эпический порошок Занимает лидирующие позиции в качестве надежного партнера в области передовых решений в области материалов? Специализируясь на высокоточном оборудовании для обработки порошков, мы помогаем производителям оптимизировать подготовку исходных материалов с помощью наших передовых технологий. Реактивная мельница Системы. Для производителей твёрдого углерода, масштабирующих мощности, Эпический порошок Обеспечивает надежность процесса, необходимую для поддержания стабильного качества анодов. Свяжитесь с нашей инженерной командой, чтобы обсудить технические характеристики вашего проекта.