El carbón duro no se grafitizará después del tratamiento a alta temperatura. Su disposición cristalina interna es desordenada y el espacio entre capas es grande. Esto hace que el ánodo de carbón duro almacene más carga en el mismo volumen. Mejora la densidad de energía y la resistencia de las baterías de iones de sodio. La expansión y contracción del ánodo de carbono duro son más uniformes durante el proceso de descarga, lo que aumenta su estabilidad cíclica, su rendimiento de carga y descarga y prolonga la vida útil cíclica de la batería de iones de sodio.
Con la rápida expansión de la generación de energía solar, eólica y otras energías renovables, también se está profundizando la investigación sobre nuevos materiales para baterías de almacenamiento de energía. En la 15ª Exposición Internacional de Tecnología de Baterías de Shenzhen, China, una empresa lanzó una nueva generación de materiales de ánodo de carbono duro para baterías de iones de sodio; su primera eficiencia de carga y descarga puede alcanzar 90%.
Con los abundantes recursos de sodio de China, las baterías de iones de sodio se consideran el nuevo tipo de batería más adecuado para el almacenamiento de energía a gran escala. Se espera que alivien los problemas causados por la escasez de recursos de litio, así como la distribución desigual del limitado desarrollo del almacenamiento de energía. En comparación con otros materiales anódicos para baterías de iones de sodio, ¿cuáles son las ventajas de los materiales de carbono duro? ¿Cuál es el estado del desarrollo de la industria de materiales duros de carbono en China? ¿A qué distancia de la aplicación a gran escala? Todavía queda un largo camino por recorrer. Con estas preguntas, el reportero del Science and Technology Daily entrevistó a los expertos pertinentes.
El carbono duro es el material anódico elegido para las baterías de iones de sodio
La batería de iones de sodio se compone principalmente de electrodos positivos, un electrodo negativo, electrolitos, diafragma, etc. Su principio de funcionamiento es similar al de las baterías de iones de litio. Como cuerpo principal de almacenamiento de sodio en la batería, el material del ánodo de la batería de iones de sodio realiza la incorporación o desconexión de iones de sodio durante el proceso de carga y descarga, por lo que la capacidad de la batería se correlaciona positivamente con la capacidad del ánodo para almacenar. iones de sodio. La selección de los materiales de los ánodos juega un papel decisivo en el desarrollo de las baterías de iones de sodio.
Zhou Xiangyang, profesor de la Universidad Central Sur, dijo que la clasificación de los materiales de los ánodos para las baterías de iones de sodio se puede dividir aproximadamente en cinco categorías. En primer lugar, los materiales anódicos a base de carbono, incluidos principalmente grafito, carbono amorfo, nanocarbono, etc., de los cuales el carbono amorfo es el que tiene más probabilidades de liderar la industrialización; en segundo lugar, materiales de ánodo de aleación, la capacidad teórica es alta, pero el volumen de electrones incrustados en la expansión del sodio es grave y el rendimiento del ciclo es deficiente; en tercer lugar, óxidos metálicos y materiales anódicos a base de sulfuro, la capacidad teórica es alta, pero la conductividad es pobre; cuarto, tipo incrustado de materiales de ánodo a base de titanio, el volumen de cambio en capacidad pequeña pero baja; quinto, materiales anódicos de base orgánica, cuyo volumen es bajo; quinto, materiales anódicos de base orgánica, cuyo volumen es bajo. Quinto, los materiales de ánodo orgánico tienen bajo costo pero mala conductividad y son fáciles de disolver en el electrolito.
Los materiales anódicos a base de carbono tienen una excelente conductividad eléctrica y, al mismo tiempo, el método de preparación es flexible, económico y respetuoso con el medio ambiente, por lo que se han convertido en la principal opción de materiales anódicos para baterías de iones de sodio. Entre ellos, los materiales de carbono duro y blando en carbono amorfo se consideran materiales anódicos potenciales para baterías de iones de sodio. El carbono blando se refiere al carbono que se puede grafitizar después de un tratamiento a alta temperatura, que generalmente se obtiene procesando y fabricando antracita de bajo costo como precursor. Aun así, tiene una baja capacidad específica de almacenamiento de sodio, una velocidad de carga lenta y un rendimiento deficiente a bajas temperaturas.
El carbono duro es carbono que no se grafitizará después del tratamiento a alta temperatura; su disposición de cristal interno es desordenada y el espacio entre capas es grande, lo que hace que el ánodo de carbono duro almacene más carga en el mismo volumen y mejora la densidad de energía y la resistencia de la batería. Debido a que la estructura de poros del carbono duro es más grande, puede contener más iones de sodio. Por lo tanto, el electrodo se expande y contrae de manera más uniforme durante el proceso de descarga, lo que aumenta la estabilidad cíclica y el rendimiento de carga/descarga del ánodo de carbono duro y extiende la vida útil cíclica de la batería de iones de sodio.
Zhou Xiangyang dijo que al comparar el rendimiento de diferentes tipos de materiales de ánodos de carbono, se puede encontrar que el carbono duro es la solución preferida de materiales de ánodos para la comercialización de baterías de iones de sodio y se espera que tome la delantera en la industrialización.
La biomasa se generaliza en la preparación de materiales de carbono duro
"Las fuentes de materias primas y precursores de carbono duro son abundantes, y la selección de precursores y la acumulación de tecnología de proceso son factores clave en el desarrollo de materiales de ánodos de carbono duro". Dijo Zhou Xiangyang.
Los precursores para preparar materiales de carbono duro son comúnmente biomasa, polímeros sintéticos, combustibles fósiles, etc. Los materiales de carbono duro preparados por diferentes precursores tienen diferencias de rendimiento significativas, y la composición de costos de los materiales de carbono duro también es significativamente diferente debido a las diferentes fuentes de Materias primas para precursores. Entre ellos, la biomasa tiene una amplia gama de fuentes de materias primas, como cáscaras de coco, cáscaras de frutas, cáscaras de pomelo, tejidos vegetales y animales, etc. El costo es relativamente bajo, lo que la convierte en la primera opción para la preparación de materiales de carbono duro. Actualmente. Los polímeros sintéticos incluyen principalmente resinas fenólicas, poliacrilonitrilo y otros materiales sintetizados químicamente, que tienen buenas propiedades electroquímicas, materias primas controlables y buena consistencia del producto, pero a un costo mayor. Los combustibles fósiles incluyen principalmente asfalto, alquitrán de hulla y mezclas relacionadas, con un bajo costo proveniente de una amplia gama de fuentes de materias primas pero con una menor capacidad de producción. Debido a las sustancias altamente volátiles contenidas en el asfalto, etc., durante el proceso de producción se requiere un tratamiento adicional de los gases de escape y de las aguas residuales, lo que aumenta el coste de producción.
En la actualidad, el proceso de preparación de carbono duro es multiplexado y constantemente hay electrodo negativo de carbono duro materiales que se están desarrollando. Por ejemplo, un equipo dirigido por Chen Chengmeng, investigador del Instituto Shanxi de Química del Carbón de la Academia de Ciencias de China, preparó almidón en materiales de electrodos duros con carbono negativo mediante una reacción química, y sus resultados se publicaron en la revista académica Energy Storage. Materiales.
¿Cómo se prepara el almidón para convertirlo en carbón duro? El proceso se puede dividir a grandes rasgos en tres pasos: en primer lugar, el uso de almidón de maíz y anhídrido maleico para preparar un almidón esterificado rico en oxígeno; y luego en el reactor se introduce una mezcla de gas hidrógeno y argón, y almidón esterificado para la reacción de reducción de hidrógeno, utilizándose el producto de reacción almidón como precursor del producto final; finalmente argón como gas protector, precursor del almidón a 1100 ℃ para la reacción de carbonización a alta temperatura, para completar la preparación del material de carbono duro.
El equipo de Chen Chengmeng también logró la regulación de la microestructura del carbono duro cambiando la temperatura de reacción en el horno tubular y ajustando el contenido de oxígeno en el precursor del producto de reacción, confirmando el efecto del contenido de oxígeno en las propiedades electroquímicas de los materiales de ánodo de carbono duro. .
Chen Chengmeng enfatizó que aunque la investigación del equipo ha sentado las bases para el desarrollo posterior de materiales de carbono duro de alto rendimiento, la microestructura y las propiedades electroquímicas de los materiales aún deben explorarse en profundidad.
Además, el profesor Yongyao Xia y otros de la Universidad de Fudan sumergieron secuencialmente el material de biomasa de la cáscara en una solución hidroalcohólica y una solución de ácido sulfúrico y lo agitaron para obtener la suspensión; luego, la suspensión se dispersó en agua, se filtró y se secó para obtener el precursor. Calentaron el precursor bajo protección de gas inerte para la precarbonización, lo enfriaron y lo molieron con bolas para obtener polvo de precarbono. Calentaron el polvo de precarbono bajo protección de gas inerte para la carbonización a alta temperatura, lo enfriaron y obtuvieron materiales de ánodo de carbón duro de biomasa altamente eficientes para baterías de iones de sodio.
El tamaño del mercado de la industria de materiales de electrodos negativos de carbono duro seguirá creciendo
Las baterías de iones de sodio se han convertido en un punto candente para la investigación y la industrialización en el país y en el extranjero. La Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma, la Junta Nacional de Energía y otros nueve departamentos emitieron el “14º Plan Quinquenal de Desarrollo de Energías Renovables”, que presenta reservas de investigación y desarrollo para baterías de iones de sodio, baterías de metal líquido y baterías de iones de litio de estado sólido. baterías, baterías de metal-aire, baterías de litio-azufre y otras tecnologías de almacenamiento de energía de alta densidad energética.
Zhou Xiangyang dijo que en la actualidad, los investigadores de los mecanismos de almacenamiento de sodio y carbono duro propusieron una variedad de modelos, pero su mecanismo de almacenamiento de sodio aún no ha alcanzado una comprensión unificada. Por lo tanto, se necesita más investigación para revelar la relación constitutiva entre los materiales de carbono duro y el mecanismo de reacción electroquímica para proporcionar orientación teórica y base científica para mejorar el rendimiento del carbono duro. Además, también es necesario explorar más a fondo los efectos de los parámetros físicos de los materiales de carbono duro, como el tamaño de las partículas, la densidad de vibración y la carga de masa, sobre el rendimiento electroquímico para mejorar sinérgicamente el rendimiento de los materiales cuando se utilizan en Sistemas de baterías de iones de sodio.
El “Informe de análisis de perspectivas de inversión y estudio especial del mercado de la industria de ánodos de carbono duro de China 2023-2029” publicado por Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd. señala que con el apoyo nacional para el desarrollo de vehículos y equipos de almacenamiento de energía de nueva energía, el La escala de mercado de la industria de materiales de ánodos de carbono duro de China crecerá aún más. Según el pronóstico del mercado, en 2025, el tamaño del mercado de la industria de materiales de electrodos negativos de carbono duro de China alcanzará los 8.650 millones de yuanes, y la tasa de crecimiento anual promedio de la industria de materiales de electrodos negativos de carbono duro en los próximos cinco años alcanzará 15,3%.
En la actualidad, debido al tiempo de desarrollo relativamente corto de la industria nacional de materiales de electrodos negativos de carbono duro, la mayoría de las empresas e instituciones de investigación todavía se encuentran en la etapa de investigación, desarrollo y optimización de tecnología. Sin embargo, los principales fabricantes nacionales están iniciando activamente la producción de materiales duros para electrodos con carbono negativo. En abril de este año, Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. anunció que su producción anual de 10.000 toneladas de proyecto de producción de precursores de material de ánodo de carbono duro se puso oficialmente en producción en el parque industrial de grafito y grafeno de la ciudad de Yong'an. Provincia de Fujian, que utiliza principalmente biomasa de origen vegetal como materia prima. Por su parte, Ningbo Sugo Co., Ltd. dijo que los materiales de ánodo de carbono duro aplicados a las baterías de iones de sodio han logrado ventas por tonelaje en China, y se espera que la escala de producción en masa alcance las 1.000 toneladas este año.
Ye Yindan, investigador del Instituto de Investigación del Banco de China, cree que las baterías de iones de sodio son mejores que las baterías eléctricas de litio en términos de baja temperatura, seguridad, carga rápida y otros indicadores de rendimiento. Sin embargo, todavía hay margen de mejora en su densidad energética, ciclo de vida, etc. Sin embargo, considerando la rica fuente de materiales, todavía existe un gran potencial de desarrollo. Con el avance de las tecnologías clave de las baterías de iones de sodio, como los materiales de ánodo de carbono duro, y el rápido crecimiento de la demanda de almacenamiento de energía, el escenario de aplicación y la escala de las baterías de iones de sodio también se desarrollarán rápidamente.