Harter Kohlenstoff wird nach einer Hochtemperaturbehandlung nicht graphitiert. Seine innere Kristallanordnung ist ungeordnet und der Schichtabstand ist groß. Dadurch speichert die Hartkohlenstoffanode mehr Ladung im gleichen Volumen. Es verbessert die Energiedichte und Lebensdauer von Natrium-Ionen-Batterien. Die Ausdehnung und Kontraktion der Hartkohlenstoffanode erfolgt während des Entladevorgangs gleichmäßiger, was ihre Zyklenstabilität, Lade- und Entladeleistung erhöht und die Zyklenlebensdauer der Natriumionenbatterie verlängert.
Mit dem rasanten Ausbau der Solar-, Wind- und anderen erneuerbaren Energieerzeugung wird auch die Forschung an neuen Materialien für Energiespeicherbatterien intensiviert. Auf der 15. Shenzhen China International Battery Technology Exhibition stellte ein Unternehmen eine neue Generation von Hartkohlenstoff-Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien vor; Seine erste Lade- und Entladeeffizienz kann 90% erreichen.
Angesichts der reichlich vorhandenen Natriumressourcen in China gelten Natrium-Ionen-Batterien als der am besten geeignete neue Batterietyp für die Energiespeicherung im großen Maßstab. Sie sollen die Probleme lindern, die durch die Verknappung der Lithiumressourcen sowie die ungleiche Verteilung des begrenzten Ausbaus der Energiespeicherung entstehen. Welche Vorteile haben harte Kohlenstoffmaterialien im Vergleich zu anderen Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien? Wie ist der Stand der Entwicklung der Hartkohlenstoff-Industrie in China? Wie weit entfernt von der Großanwendung? Es ist noch ein langer Weg. Mit diesen Fragen interviewte der Reporter von Science and Technology Daily die relevanten Experten.
Hartkohlenstoff ist das Anodenmaterial der Wahl für Natrium-Ionen-Batterien
Natrium-Ionen-Batterien bestehen hauptsächlich aus positiven Elektroden, einer negativen Elektrode, Elektrolyten, einem Diaphragma usw. Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem von Lithium-Ionen-Batterien. Als Hauptbestandteil der Natriumspeicherung in der Batterie sorgt das Anodenmaterial der Natriumionenbatterie für die Einbettung oder Freisetzung von Natriumionen während des Lade- und Entladevorgangs, sodass die Kapazität der Batterie positiv mit der Speicherfähigkeit der Anode korreliert Natriumionen. Die Auswahl der Anodenmaterialien spielt bei der Entwicklung von Natrium-Ionen-Batterien eine entscheidende Rolle.
Zhou Xiangyang, Professor an der Central South University, sagte, dass die Klassifizierung von Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien grob in fünf Kategorien unterteilt werden kann. Erstens Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis, hauptsächlich Graphit, amorpher Kohlenstoff, Nanokohlenstoff usw., von denen amorpher Kohlenstoff am ehesten die Führung bei der Industrialisierung übernehmen wird; Zweitens ist bei legierten Anodenmaterialien die theoretische Kapazität hoch, aber das Volumen der in die Natriumexpansion eingebetteten Elektronen ist schwerwiegend und die Zyklusleistung ist schlecht. Drittens ist die theoretische Kapazität von Metalloxiden und Anodenmaterialien auf Sulfidbasis hoch, aber die Leitfähigkeit ist schlecht. viertens, eingebettete Art von Anodenmaterialien auf Titanbasis, das Volumen der Änderung ist klein, aber die Kapazität ist gering; fünftens Anodenmaterialien auf organischer Basis, deren Volumen gering ist; Fünftens Anodenmaterialien auf organischer Basis, deren Volumen gering ist. Fünftens sind organische Anodenmaterialien kostengünstig, haben aber eine schlechte Leitfähigkeit und lassen sich leicht im Elektrolyten auflösen.
Anodenmaterialien auf Kohlenstoffbasis weisen eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit auf und sind gleichzeitig flexibel, kostengünstig und umweltfreundlich hergestellt. Daher sind sie die erste Wahl für Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien. Darunter gelten Hartkohlenstoff- und Weichkohlenstoffmaterialien in amorphem Kohlenstoff als potenzielle Anodenmaterialien für Natriumionenbatterien. Unter Weichkohlenstoff versteht man den Kohlenstoff, der nach einer Hochtemperaturbehandlung graphitierbar ist und üblicherweise durch die Verarbeitung und Herstellung von kostengünstigem Anthrazit als Vorprodukt gewonnen wird. Dennoch verfügt es über eine geringe spezifische Kapazität für die Natriumspeicherung, eine langsame Ladegeschwindigkeit und eine schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen.
Harter Kohlenstoff ist Kohlenstoff, der nach einer Hochtemperaturbehandlung nicht graphitiert wird; Seine innere Kristallanordnung ist ungeordnet und der Schichtabstand ist groß, wodurch die Hartkohlenstoffanode mehr Ladung im gleichen Volumen speichert und die Energiedichte und Lebensdauer der Batterie verbessert. Da die Porenstruktur von Hartkohlenstoff größer ist, kann er mehr Natriumionen aufnehmen. Dadurch dehnt und zieht sich die Elektrode während des Entladevorgangs gleichmäßiger aus, was die Zyklenstabilität und Lade-/Entladeleistung der Hartkohlenstoffanode erhöht und die Zyklenlebensdauer der Natrium-Ionen-Batterie verlängert.
Zhou Xiangyang sagte, dass durch den Vergleich der Leistung verschiedener Arten von Kohlenstoffanodenmaterialien festgestellt werden könne, dass Hartkohlenstoff die bevorzugte Lösung für Anodenmaterialien für die Kommerzialisierung von Natriumionenbatterien sei und voraussichtlich die Führung bei der Industrialisierung übernehmen werde.
Biomasse wird zum Mainstream für die Herstellung harter Kohlenstoffmaterialien
„Hartkohlenstoff-Vorläufer und Rohstoffquellen sind reichlich vorhanden, und die Auswahl der Vorläufer und die Anhäufung von Prozesstechnologien sind Schlüsselfaktoren bei der Entwicklung von Hartkohlenstoff-Anodenmaterialien.“ sagte Zhou Xiangyang.
Die Vorläufer für die Herstellung von Hartkohlenstoffmaterialien sind üblicherweise Biomasse, synthetische Polymere, fossile Brennstoffe usw. Die durch verschiedene Vorläufer hergestellten Hartkohlenstoffmaterialien weisen erhebliche Leistungsunterschiede auf, und auch die Kostenzusammensetzung von Hartkohlenstoffmaterialien unterscheidet sich aufgrund der unterschiedlichen Quellen erheblich Rohstoffe für Vorprodukte. Unter ihnen verfügt Biomasse über ein breites Spektrum an Rohstoffquellen, wie Kokosnussschalen, Obstschalen, Grapefruitschalen, pflanzliches und tierisches Gewebe usw. Die Kosten sind relativ niedrig, was sie zur ersten Wahl für die Herstellung harter Kohlenstoffmaterialien macht derzeit. Zu den synthetischen Polymeren gehören hauptsächlich Phenolharze, Polyacrylnitril und andere chemisch synthetisierte Materialien, die gute elektrochemische Eigenschaften, kontrollierbare Rohstoffe und eine gute Produktkonsistenz aufweisen, jedoch zu höheren Kosten. Zu den fossilen Brennstoffen gehören hauptsächlich Asphalt, Kohlenteer und verwandte Mischungen, wobei die Kosten aus einer breiten Palette von Rohstoffquellen gering sind, die Produktkapazität jedoch geringer ist. Aufgrund der in Asphalt etc. enthaltenen leichtflüchtigen Stoffe ist während des Produktionsprozesses eine zusätzliche Abgas- und Abwasserbehandlung erforderlich, was die Produktionskosten erhöht.
Gegenwärtig ist der Hartkohlenstoff-Herstellungsprozess gemultiplext, und es gibt ständig neue Verfahren Harte negative Elektrode aus Kohlenstoff Materialien, die entwickelt werden. Beispielsweise hat ein Team unter der Leitung von Chen Chengmeng, einem Forscher am Shanxi-Institut für Kohlechemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Stärke durch eine chemische Reaktion zu harten kohlenstoffnegativen Elektrodenmaterialien verarbeitet und die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Energy Storage veröffentlicht Materialien.
Wie bereitet man Stärke zu Hartkohlenstoff auf? Der Prozess kann grob in drei Schritte unterteilt werden: zunächst die Verwendung von Maisstärke und Maleinsäureanhydrid zur Herstellung einer sauerstoffreichen veresterten Stärke; und dann in den Reaktor ein Wasserstoff- und Argongasgemisch eingibt und Stärke für die Wasserstoffreduktionsreaktion verestert, wobei das Reaktionsprodukt Stärke als Vorläufer des Endprodukts verwendet wird; schließlich Argon als Schutzgas, der Stärkevorläufer bei 1100 ℃ für die Hochtemperatur-Karbonisierungsreaktion, um die Herstellung des Hartkohlenstoffmaterials abzuschließen.
Das Team von Chen Chengmeng realisierte auch die Regulierung der Mikrostruktur von Hartkohlenstoff durch Änderung der Reaktionstemperatur im Röhrenofen und Anpassung des Sauerstoffgehalts in der Vorstufe des Reaktionsprodukts und bestätigte damit den Einfluss des Sauerstoffgehalts auf die elektrochemischen Eigenschaften von Anodenmaterialien aus Hartkohlenstoff .
Chen Chengmeng betonte, dass die Forschung des Teams zwar den Grundstein für die spätere Entwicklung von Hochleistungs-Hartkohlenstoffmaterialien gelegt habe, die Mikrostruktur und die elektrochemischen Eigenschaften der Materialien jedoch noch eingehend erforscht werden müssten.
Darüber hinaus tauchten Prof. Yongyao Anschließend wurde die Suspension in Wasser dispergiert, filtriert und getrocknet, um den Vorläufer zu erhalten. Sie erwärmten den Vorläufer unter Inertgasschutz zur Vorkarbonisierung, kühlten ihn ab und mahlten ihn in einer Kugelmühle, um Vorkohlenstoffpulver zu erhalten. Sie erwärmten das Vorkohlenstoffpulver unter Inertgasschutz für die Karbonisierung bei hoher Temperatur, kühlten es ab und erhielten hocheffiziente Anodenmaterialien aus hartem Kohlenstoff aus Biomasse für Natriumionenbatterien.
Der Markt für Hartkohlenstoff-Negativelektrodenmaterialien wird weiter wachsen
Natrium-Ionen-Batterien sind zu einem Hotspot für Forschung und Industrialisierung im In- und Ausland geworden. Die Nationale Entwicklungs- und Reformkommission, das National Energy Board und neun weitere Abteilungen haben den „14. Fünfjahresplan für die Entwicklung erneuerbarer Energien“ herausgegeben, der Forschungs- und Entwicklungsreserven für Natriumionenbatterien, Flüssigmetallbatterien und Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien vorsieht Batterien, Metall-Luft-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien und andere Energiespeichertechnologien mit hoher Energiedichte.
Zhou Xiangyang sagte, dass Forscher, die sich mit den Speichermechanismen von hartem Kohlenstoff und Natrium befassen, derzeit verschiedene Modelle vorschlagen, der Natriumspeichermechanismus jedoch noch nicht zu einem einheitlichen Verständnis gelangt sei. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die konstitutive Beziehung zwischen Hartkohlenstoffmaterialien und dem elektrochemischen Reaktionsmechanismus aufzudecken und theoretische Leitlinien und wissenschaftliche Grundlagen für die Verbesserung der Leistung von Hartkohlenstoff bereitzustellen. Darüber hinaus müssen auch die Auswirkungen physikalischer Parameter harter Kohlenstoffmaterialien wie Partikelgröße, Vibrationsdichte und Massenbelastung auf die elektrochemische Leistung weiter untersucht werden, um die Leistung der Materialien bei ihrer Verwendung synergetisch zu verbessern Natrium-Ionen-Batteriesysteme.
Der von Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd. herausgegebene „China Hard Carbon Anode Industry Market Special Survey and Investment Prospect Analysis Report 2023-2029“ weist darauf hin, dass mit der nationalen Unterstützung für die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge und Energiespeicherausrüstung die Der Marktumfang der chinesischen Hartkohlenstoff-Anodenmaterialindustrie wird weiter wachsen. Der Marktprognose zufolge wird die Marktgröße der chinesischen Industrie für negative Elektrodenmaterialien aus hartem Kohlenstoff im Jahr 2025 8,65 Milliarden Yuan erreichen, und die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate der Industrie für negative Elektrodenmaterialien aus hartem Kohlenstoff wird in den nächsten fünf Jahren 15,31 TP3T erreichen.
Aufgrund der relativ kurzen Entwicklungszeit der heimischen Industrie für negative Elektrodenmaterialien aus Hartkohlenstoff befinden sich die meisten Unternehmen und Forschungseinrichtungen derzeit noch in der Phase der Technologieforschung, -entwicklung und -optimierung. Große inländische Hersteller planen jedoch aktiv die Produktion harter, kohlenstoffnegativer Elektrodenmaterialien. Im April dieses Jahres gab Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. bekannt, dass sein jährliches Produktionsprojekt von 10.000 Tonnen Hartkohlenstoff-Anodenmaterial-Vorläufer im Graphit- und Graphen-Industriepark der Stadt Yong'an offiziell in Betrieb genommen wurde. Provinz Fujian, die hauptsächlich pflanzliche Biomasse als Rohstoff verwendet. Ningbo Sugo Co., Ltd. sagte seinerseits, dass die harten Kohlenstoffanodenmaterialien, die für Natriumionenbatterien verwendet werden, in China Tonnagenverkäufe erzielt haben und dass der Umfang der Massenproduktion in diesem Jahr voraussichtlich 1.000 Tonnen erreichen wird.
Ye Yindan, Forscher am Bank of China Research Institute, glaubt, dass Natrium-Ionen-Batterien hinsichtlich niedriger Temperatur, Sicherheit, schnellem Laden und anderen Leistungsindikatoren besser sind als Lithium-E-Batterien. Es gibt jedoch noch Verbesserungspotenzial hinsichtlich ihrer Energiedichte, Zyklenlebensdauer usw. Angesichts der reichhaltigen Materialquellen besteht jedoch noch großes Entwicklungspotenzial. Mit dem Durchbruch von Schlüsseltechnologien für Natrium-Ionen-Batterien, wie z. B. Anodenmaterialien aus hartem Kohlenstoff, und dem schnellen Wachstum des Energiespeicherbedarfs werden sich auch das Anwendungsszenario und der Umfang von Natrium-Ionen-Batterien rasch weiterentwickeln.