Le carbone dur ne graphitera pas après un traitement à haute température. Sa disposition cristalline interne est désordonnée et l’espacement des couches est grand. Cela permet à l'anode en carbone dur de stocker plus de charge dans le même volume. Il améliore la densité énergétique et l’endurance des batteries sodium-ion. L'expansion et la contraction de l'anode en carbone dur sont plus uniformes pendant le processus de décharge, ce qui augmente sa stabilité de cyclage, ses performances de charge et de décharge et prolonge la durée de vie de cyclage de la batterie sodium-ion.
Avec l’expansion rapide de la production d’énergie solaire, éolienne et autre énergie renouvelable, la recherche sur de nouveaux matériaux pour les batteries de stockage d’énergie s’approfondit également. Lors du 15e Salon international de la technologie des batteries à Shenzhen en Chine, une société a lancé une nouvelle génération de matériaux d'anode en carbone dur pour batteries sodium-ion ; sa première efficacité de charge et de décharge peut atteindre 90%.
Grâce aux abondantes ressources en sodium de la Chine, les batteries sodium-ion sont considérées comme le nouveau type de batteries le plus approprié pour le stockage d'énergie à grande échelle. Ils devraient atténuer les problèmes causés par la pénurie de ressources en lithium ainsi que par la répartition inégale du développement limité du stockage d'énergie. Par rapport à d’autres matériaux d’anode pour batteries sodium-ion, quels sont les avantages des matériaux à base de carbone dur ? Quel est l’état de développement de l’industrie chinoise des matériaux à base de carbone dur ? À quelle distance de l’application à grande échelle ? Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir. Avec ces questions, le journaliste du Science and Technology Daily a interviewé les experts concernés.
Le carbone dur est le matériau d'anode de choix pour les batteries sodium-ion
La batterie sodium-ion est principalement composée d'électrodes positives, d'une électrode négative, d'électrolytes, de diaphragme, etc. Son principe de fonctionnement est similaire à celui des batteries lithium-ion. En tant qu'élément principal de stockage du sodium dans la batterie, le matériau de l'anode de la batterie sodium-ion réalise l'incorporation ou le désengagement des ions sodium pendant le processus de charge et de décharge, de sorte que la capacité de la batterie est positivement corrélée à la capacité de l'anode à stocker. ions sodium. Le choix des matériaux d'anode joue un rôle décisif dans le développement des batteries sodium-ion.
Zhou Xiangyang, professeur à l'Université Central South, a déclaré que la classification des matériaux d'anode pour les batteries sodium-ion peut être grossièrement divisée en cinq catégories. Premièrement, les matériaux d'anode à base de carbone, comprenant principalement le graphite, le carbone amorphe, le nanocarbone, etc., dont le carbone amorphe est le plus susceptible de prendre la tête de l'industrialisation ; deuxièmement, les matériaux d'anode en alliage, la capacité théorique est élevée, mais le volume d'électrons incorporés dans l'expansion du sodium est important et les performances du cycle sont médiocres ; troisièmement, les oxydes métalliques et les matériaux d'anode à base de sulfure, la capacité théorique est élevée, mais la conductivité est faible ; quatrièmement, type intégré de matériaux d'anode à base de titane, le volume de changement en capacité petite mais faible ; cinquièmement, des matériaux d'anode à base organique, dont le volume est faible ; cinquièmement, des matériaux d'anode à base organique, dont le volume est faible. Cinquièmement, les matériaux d'anode organiques ont un faible coût mais une mauvaise conductivité et sont faciles à dissoudre dans l'électrolyte.
Les matériaux d'anode à base de carbone ont une excellente conductivité électrique et, en même temps, la méthode de préparation est flexible, peu coûteuse et respectueuse de l'environnement, ils sont donc devenus le principal choix de matériaux d'anode pour les batteries sodium-ion. Parmi eux, les matériaux en carbone dur et en carbone mou dans le carbone amorphe sont considérés comme des matériaux d'anode potentiels pour les batteries sodium-ion. Le carbone mou fait référence au carbone qui peut être graphité après un traitement à haute température, qui est généralement obtenu par traitement et fabrication d'anthracite à faible coût comme précurseur. Néanmoins, il a une faible capacité spécifique de stockage du sodium, une vitesse de charge lente et de mauvaises performances à basse température.
Le carbone dur est du carbone qui ne sera pas graphitisé après un traitement à haute température ; sa disposition cristalline interne est désordonnée et l'espacement des couches est grand, ce qui permet à l'anode en carbone dur de stocker plus de charge dans le même volume et améliore la densité énergétique et l'endurance de la batterie. Parce que la structure des pores du carbone dur est plus grande, il peut contenir plus d’ions sodium. Par conséquent, l'électrode se dilate et se contracte plus uniformément pendant le processus de décharge, ce qui augmente la stabilité du cyclage et les performances de charge/décharge de l'anode en carbone dur et prolonge la durée de vie du cyclage de la batterie sodium-ion.
Zhou Xiangyang a déclaré qu'en comparant les performances de différents types de matériaux d'anode en carbone, on peut constater que le carbone dur est la solution préférée de matériaux d'anode pour la commercialisation des batteries sodium-ion et devrait prendre la tête de l'industrialisation.
La biomasse se généralise pour la préparation de matériaux à base de carbone dur
"Les précurseurs de carbone dur et les sources de matières premières sont abondants, et la sélection des précurseurs et l'accumulation de technologies de traitement sont des facteurs clés dans le développement de matériaux d'anode en carbone dur." » a déclaré Zhou Xiangyang.
Les précurseurs pour la préparation de matériaux carbonés durs sont généralement la biomasse, les polymères synthétiques, les combustibles fossiles, etc. Les matériaux carbonés durs préparés par différents précurseurs présentent des différences de performances significatives, et la composition des coûts des matériaux carbonés durs est également très différente en raison des différentes sources de matières premières pour les précurseurs. Parmi elles, la biomasse dispose d'un large éventail de sources de matières premières, telles que les coques de noix de coco, les coques de fruits, les écorces de pamplemousse, les tissus végétaux et animaux, etc. Le coût est relativement faible, ce qui en fait le premier choix pour la préparation de matériaux carbonés durs. maintenant. Les polymères synthétiques comprennent principalement des résines phénoliques, du polyacrylonitrile et d'autres matériaux chimiquement synthétisés, qui ont de bonnes propriétés électrochimiques, des matières premières contrôlables et une bonne cohérence du produit, mais à un coût plus élevé. Les combustibles fossiles comprennent principalement l'asphalte, le goudron de houille et les mélanges associés, à faible coût provenant d'un large éventail de sources de matières premières mais avec une capacité de production inférieure. En raison des substances hautement volatiles contenues dans l'asphalte, etc., un traitement supplémentaire des gaz d'échappement et des eaux usées est nécessaire pendant le processus de production, augmentant ainsi le coût de production.
À l'heure actuelle, le processus de préparation du carbone dur est multiplexé et il y a constamment électrode négative en carbone dur matériaux en cours d’élaboration. Par exemple, une équipe dirigée par Chen Chengmeng, chercheur à l'Institut de chimie du charbon du Shanxi, Académie chinoise des sciences, a préparé de l'amidon pour en faire des matériaux d'électrodes durs à carbone négatif par une réaction chimique, et ses résultats ont été publiés dans la revue universitaire Energy Storage. Matériaux.
Comment préparer l’amidon en carbone dur ? Le processus peut être grossièrement divisé en trois étapes : tout d’abord, l’utilisation d’amidon de maïs et d’anhydride maléique pour préparer un amidon estérifié riche en oxygène ; puis dans le mélange d'hydrogène et d'argon gazeux d'entrée du réacteur, et de l'amidon estérifié pour la réaction de réduction de l'hydrogène, l'amidon du produit de réaction utilisé comme précurseur du produit final ; enfin l'argon comme gaz protecteur, le précurseur d'amidon à 1 100 ℃ pour la réaction de carbonisation à haute température, pour compléter la préparation du matériau carboné dur.
L'équipe de Chen Chengmeng a également réalisé la régulation de la microstructure du carbone dur en modifiant la température de réaction dans le four tubulaire et en ajustant la teneur en oxygène dans le précurseur du produit de réaction, confirmant ainsi l'effet de la teneur en oxygène sur les propriétés électrochimiques des matériaux d'anode en carbone dur. .
Chen Chengmeng a souligné que même si les recherches de l'équipe ont jeté les bases du développement ultérieur de matériaux à base de carbone dur de haute performance, la microstructure et les propriétés électrochimiques des matériaux doivent encore être explorées en profondeur.
De plus, le professeur Yongyao Xia et d'autres de l'Université de Fudan ont immergé séquentiellement le matériau de la biomasse de la coquille dans une solution hydroalcoolique et une solution d'acide sulfurique et l'ont agité pour obtenir la suspension ; ensuite, la suspension a été dispersée dans l’eau, filtrée et séchée pour obtenir le précurseur. Ils ont chauffé le précurseur sous protection de gaz inerte pour la pré-carbonisation, l'ont refroidi et l'ont broyé à boulets pour obtenir de la poudre de pré-carbone. Ils ont réchauffé la poudre de pré-carbone sous protection de gaz inerte pour une carbonisation à haute température, l'ont refroidie et ont obtenu des matériaux d'anode en carbone dur de biomasse très efficaces pour les batteries sodium-ion.
La taille du marché de l’industrie des matériaux d’électrodes négatives au carbone dur continuera de croître
Les batteries sodium-ion sont devenues un point chaud pour la recherche et l’industrialisation au pays et à l’étranger. La Commission nationale du développement et de la réforme, l'Office national de l'énergie et neuf autres ministères ont publié le « 14e plan quinquennal » de développement des énergies renouvelables, qui présente des réserves de recherche et de développement pour les batteries sodium-ion, les batteries à métal liquide et les batteries lithium-ion à l'état solide. batteries, batteries métal-air, batteries lithium-soufre et autres technologies de stockage d'énergie à haute densité énergétique.
Zhou Xiangyang a déclaré qu'à l'heure actuelle, les chercheurs sur les mécanismes de stockage du carbone dur et du sodium proposent une variété de modèles, mais que son mécanisme de stockage du sodium n'a pas encore atteint une compréhension unifiée. Par conséquent, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour révéler la relation constitutive entre les matériaux carbonés durs et le mécanisme de réaction électrochimique afin de fournir des orientations théoriques et une base scientifique pour améliorer les performances du carbone dur. En outre, les effets des paramètres physiques des matériaux à base de carbone dur, tels que la taille des particules, la densité de vibration et la charge massique, sur les performances électrochimiques doivent également être étudiés plus en détail afin d'améliorer de manière synergique les performances des matériaux lorsqu'ils sont utilisés dans systèmes de batteries sodium-ion.
L'« Enquête spéciale sur le marché chinois de l'industrie des anodes de carbone dur et rapport d'analyse des perspectives d'investissement 2023-2029 » publié par Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd. souligne qu'avec le soutien national au développement de nouveaux véhicules énergétiques et d'équipements de stockage d'énergie, le La taille du marché de l'industrie chinoise des matériaux d'anode en carbone dur va encore croître. Selon les prévisions du marché, en 2025, la taille du marché de l'industrie chinoise des matériaux pour électrodes négatives en carbone dur atteindra 8,65 milliards de yuans, et le taux de croissance annuel moyen de l'industrie des matériaux pour électrodes négatives en carbone dur au cours des cinq prochaines années atteindra 15,31 TP3T.
À l'heure actuelle, en raison du temps de développement relativement court de l'industrie nationale des matériaux d'électrodes négatives en carbone dur, la plupart des entreprises et des instituts de recherche en sont encore au stade de la recherche, du développement et de l'optimisation technologiques. Cependant, les principaux fabricants nationaux développent activement la production de matériaux d'électrodes durs et négatifs en carbone. En avril de cette année, Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. a annoncé que sa production annuelle de 10 000 tonnes de projet de production de précurseurs de matériaux d'anodes en carbone dur avait été officiellement mise en production dans le parc industriel de graphite et de graphène de la ville de Yong'an. Province du Fujian, qui utilise principalement la biomasse végétale comme matière première. Pour sa part, Ningbo Sugo Co., Ltd. a déclaré que les matériaux d'anode en carbone dur appliqués aux batteries sodium-ion ont atteint des ventes au tonnage en Chine et que l'on s'attend à ce que l'échelle de production de masse atteigne 1 000 tonnes cette année.
Ye Yindan, chercheur à l'Institut de recherche de la Banque de Chine, estime que les batteries sodium-ion sont meilleures que les batteries électroniques au lithium en termes de basse température, de sécurité, de charge rapide et d'autres indicateurs de performance. Cependant, il est encore possible d’améliorer leur densité énergétique, leur durée de vie, etc. Cependant, compte tenu de la richesse de la source de matériaux, il existe encore un grand potentiel de développement. Avec la percée des technologies clés des batteries sodium-ion, telles que les matériaux d'anode en carbone dur, et la croissance rapide de la demande de stockage d'énergie, le scénario d'application et l'échelle des batteries sodium-ion seront également développés rapidement.