Il carbonio duro non si grafitizza dopo il trattamento ad alta temperatura. La sua disposizione cristallina interna è disordinata e la spaziatura tra gli strati è ampia. Ciò fa sì che l'anodo di carbonio duro immagazzini più carica nello stesso volume. Migliora la densità energetica e la durata delle batterie agli ioni di sodio. L'espansione e la contrazione dell'anodo di carbonio duro sono più uniformi durante il processo di scarica, il che aumenta la stabilità del ciclo, le prestazioni di carica e scarica e prolunga la durata del ciclo della batteria agli ioni di sodio.
Con la rapida espansione della produzione di energia solare, eolica e di altre fonti rinnovabili, si sta approfondendo anche la ricerca su nuovi materiali per le batterie di accumulo dell’energia. Alla 15a mostra internazionale sulla tecnologia delle batterie di Shenzhen in Cina, una società ha rilasciato una nuova generazione di materiali anodici di carbonio duro per batterie agli ioni di sodio; la sua prima efficienza di carica e scarica può raggiungere 90%.
Considerate le abbondanti risorse di sodio della Cina, le batterie agli ioni di sodio sono considerate il nuovo tipo di batterie più adatto per lo stoccaggio di energia su larga scala. Si prevede che allevieranno i problemi causati dalla carenza di risorse di litio e dalla distribuzione non uniforme dello sviluppo limitato dello stoccaggio energetico. Rispetto ad altri materiali anodici per batterie agli ioni di sodio, quali sono i vantaggi dei materiali in carbonio duro? Qual è lo stato dello sviluppo del settore dei materiali in carbonio duro in Cina? Quanto lontano dall'applicazione su larga scala? C'è ancora molta strada da fare. Con queste domande, il giornalista di Science and Technology Daily ha intervistato gli esperti del settore.
Il carbonio duro è il materiale anodico preferito per le batterie agli ioni di sodio
La batteria agli ioni di sodio è composta principalmente da elettrodi positivi, un elettrodo negativo, elettroliti, diaframma, ecc. Il suo principio di funzionamento è simile a quello delle batterie agli ioni di litio. Essendo il corpo principale di stoccaggio del sodio nella batteria, il materiale dell'anodo della batteria agli ioni di sodio realizza l'incorporamento o il disimpegno degli ioni di sodio durante il processo di carica e scarica, quindi la capacità della batteria è correlata positivamente con la capacità dell'anodo di immagazzinare ioni sodio. La selezione dei materiali anodici ha un ruolo decisivo nello sviluppo delle batterie agli ioni di sodio.
Zhou Xiangyang, professore alla Central South University, ha affermato che la classificazione dei materiali anodici per le batterie agli ioni di sodio può essere approssimativamente suddivisa in cinque categorie. In primo luogo, i materiali anodici a base di carbonio, tra cui principalmente grafite, carbonio amorfo, nanocarbonio, ecc., di cui è più probabile che il carbonio amorfo prenda il comando nell'industrializzazione; in secondo luogo, materiali anodici in lega, la capacità teorica è elevata, ma il volume degli elettroni incorporati nell'espansione del sodio è grave e le prestazioni del ciclo sono scarse; in terzo luogo, ossidi metallici e materiali anodici a base di solfuro, la capacità teorica è elevata, ma la conduttività è scarsa; in quarto luogo, tipo incorporato di materiali anodici a base di titanio, il volume del cambiamento in capacità piccola ma bassa; quinto, materiali anodici a base organica, il cui volume è basso; quinto, materiali anodici a base organica, il cui volume è basso. In quinto luogo, i materiali organici dell'anodo hanno un basso costo ma una scarsa conduttività e sono facili da sciogliere nell'elettrolita.
I materiali anodici a base di carbonio hanno un'eccellente conduttività elettrica e, allo stesso tempo, il metodo di preparazione è flessibile, economico ed ecologico, quindi sono diventati la scelta principale dei materiali anodici per le batterie agli ioni di sodio. Tra questi, i materiali di carbonio duro e carbonio morbido nel carbonio amorfo sono considerati potenziali materiali anodici per le batterie agli ioni di sodio. Il carbonio morbido si riferisce al carbonio che può essere grafitizzato dopo il trattamento ad alta temperatura, che di solito si ottiene mediante la lavorazione e la produzione di antracite a basso costo come precursore. Tuttavia, ha una bassa capacità specifica di stoccaggio del sodio, una velocità di ricarica lenta e scarse prestazioni a bassa temperatura.
Il carbonio duro è carbonio che non verrà grafitizzato dopo il trattamento ad alta temperatura; la sua disposizione cristallina interna è disordinata e la spaziatura degli strati è ampia, il che fa sì che l'anodo di carbonio duro immagazzini più carica nello stesso volume e migliori la densità di energia e la durata della batteria. Poiché la struttura dei pori del carbonio duro è più grande, può contenere più ioni sodio. Pertanto, l'elettrodo si espande e si contrae in modo più uniforme durante il processo di scarica, il che aumenta la stabilità del ciclo e le prestazioni di carica/scarica dell'anodo di carbonio duro e prolunga la durata del ciclo della batteria agli ioni di sodio.
Zhou Xiangyang ha affermato che confrontando le prestazioni di diversi tipi di materiali anodici di carbonio, si può scoprire che il carbonio duro è la soluzione preferita dei materiali anodici per la commercializzazione di batterie agli ioni di sodio e si prevede che assumerà un ruolo guida nell'industrializzazione.
La biomassa diventa mainstream per la preparazione di materiali a base di carbonio duro
“I precursori del carbonio duro e le fonti di materie prime sono abbondanti e la selezione dei precursori e l’accumulo della tecnologia di processo sono fattori chiave nello sviluppo di materiali anodici di carbonio duro”. Zhou Xiangyang ha detto.
I precursori per la preparazione di materiali a carbonio duro sono comunemente biomassa, polimeri sintetici, combustibili fossili, ecc. I materiali a carbonio duro preparati da diversi precursori presentano differenze prestazionali significative e anche la composizione dei costi dei materiali a carbonio duro è significativamente diversa a causa delle diverse fonti di materie prime per precursori. Tra questi, la biomassa ha una vasta gamma di fonti di materie prime, come gusci di cocco, gusci di frutta, bucce di pompelmo, tessuti vegetali e animali, ecc. Il costo è relativamente basso, il che la rende la prima scelta per la preparazione di materiali a base di carbonio duro attualmente. I polimeri sintetici comprendono principalmente resine fenoliche, poliacrilonitrile e altri materiali sintetizzati chimicamente, che hanno buone proprietà elettrochimiche, materie prime controllabili e buona consistenza del prodotto, ma a un costo più elevato. I combustibili fossili comprendono principalmente asfalto, catrame di carbone e miscele correlate, a basso costo provenienti da un’ampia gamma di fonti di materie prime ma con una minore capacità di prodotto. A causa delle sostanze altamente volatili contenute nell'asfalto, ecc., durante il processo di produzione è necessario un ulteriore trattamento dei gas di scarico e delle acque reflue, aumentando così i costi di produzione.
Al momento, il processo di preparazione del carbonio duro è multiplexato e ce ne sono costantemente elettrodo negativo al carbonio duro materiali in fase di sviluppo. Ad esempio, un team guidato da Chen Chengmeng, ricercatore presso l’Istituto di chimica del carbone dello Shanxi, Accademia cinese delle scienze, ha preparato l’amido in materiali per elettrodi duri con carbonio negativo attraverso una reazione chimica, e i suoi risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica Energy Storage Materiali.
Come si prepara l'amido in carbonio duro? Il processo può essere grossolanamente suddiviso in tre fasi: innanzitutto, l'utilizzo dell'amido di mais e dell'anidride maleica per preparare un amido esterificato ricco di ossigeno; e poi nella miscela di idrogeno e gas argon in ingresso al reattore e amido esterificato per la reazione di riduzione dell'idrogeno, l'amido prodotto della reazione viene utilizzato come precursore del prodotto finale; infine l'argon come gas protettivo, il precursore dell'amido a 1100 ℃ per la reazione di carbonizzazione ad alta temperatura, per completare la preparazione del materiale a base di carbonio duro.
Il team di Chen Chengmeng ha anche realizzato la regolazione della microstruttura del carbonio duro modificando la temperatura di reazione nel forno tubolare e regolando il contenuto di ossigeno nel precursore del prodotto di reazione, confermando l'effetto del contenuto di ossigeno sulle proprietà elettrochimiche dei materiali anodici di carbonio duro .
Chen Chengmeng ha sottolineato che, sebbene la ricerca del team abbia gettato le basi per il successivo sviluppo di materiali in carbonio duro ad alte prestazioni, la microstruttura e le proprietà elettrochimiche dei materiali devono ancora essere esplorate in profondità.
Inoltre, il Prof. Yongyao Xia e altri dell'Università di Fudan hanno immerso in sequenza il materiale della biomassa del guscio in una soluzione idroalcolica e in una soluzione di acido solforico e hanno agitato il tutto per ottenere la sospensione; quindi la sospensione è stata dispersa in acqua, filtrata ed essiccata per ottenere il precursore. Hanno riscaldato il precursore sotto protezione di gas inerte per la precarbonizzazione, lo hanno raffreddato e macinato a sfere per ottenere polvere di precarbonio. Hanno riscaldato la polvere di pre-carbonio sotto protezione di gas inerte per la carbonizzazione ad alta temperatura, l’hanno raffreddata e hanno ottenuto materiali anodici di carbonio duro da biomassa altamente efficienti per le batterie agli ioni di sodio.
Le dimensioni del mercato dell’industria dei materiali per elettrodi negativi al carbonio duro continueranno a crescere
Le batterie agli ioni di sodio sono diventate un punto caldo per la ricerca e l’industrializzazione in patria e all’estero. La Commissione nazionale per lo sviluppo e la riforma, il Consiglio nazionale per l’energia e altri nove dipartimenti hanno pubblicato il “14° piano quinquennale” per lo sviluppo delle energie rinnovabili, che propone riserve di ricerca e sviluppo per batterie agli ioni di sodio, batterie ai metalli liquidi, batterie agli ioni di litio allo stato solido batterie, batterie metallo-aria, batterie al litio-zolfo e altre tecnologie di accumulo di energia ad alta densità di energia.
Zhou Xiangyang ha affermato che attualmente i ricercatori sui meccanismi di stoccaggio del sodio e del carbonio duro hanno proposto una varietà di modelli, ma il suo meccanismo di stoccaggio del sodio non ha ancora raggiunto una comprensione unificata. Pertanto, sono necessarie ulteriori ricerche per rivelare la relazione costitutiva tra i materiali di carbonio duro e il meccanismo di reazione elettrochimica per fornire una guida teorica e una base scientifica per migliorare le prestazioni del carbonio duro. Inoltre, anche gli effetti dei parametri fisici dei materiali duri al carbonio, come la dimensione delle particelle, la densità di vibrazione e il carico di massa, sulle prestazioni elettrochimiche devono essere ulteriormente esplorati al fine di migliorare sinergicamente le prestazioni dei materiali quando vengono utilizzati in sistemi di batterie agli ioni di sodio.
Il “Sondaggio speciale sul mercato cinese degli anodi di carbonio duro e rapporto sull’analisi delle prospettive di investimento 2023-2029” pubblicato da Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd. sottolinea che con il sostegno nazionale per lo sviluppo di nuovi veicoli energetici e apparecchiature di stoccaggio dell’energia, il la scala del mercato cinese dei materiali anodici duri in carbonio crescerà ulteriormente. Secondo le previsioni di mercato, nel 2025, la dimensione del mercato cinese dei materiali per elettrodi negativi al carbonio duro raggiungerà 8,65 miliardi di yuan e il tasso di crescita medio annuo del settore dei materiali per elettrodi negativi al carbonio duro nei prossimi cinque anni raggiungerà 15,3%.
Allo stato attuale, a causa del tempo di sviluppo relativamente breve dell'industria domestica dei materiali per elettrodi negativi al carbonio duro, la maggior parte delle imprese e degli istituti di ricerca sono ancora nella fase di ricerca, sviluppo e ottimizzazione tecnologica. Tuttavia, i principali produttori nazionali stanno avviando attivamente la produzione di materiali per elettrodi duri con carbonio negativo. Nell'aprile di quest'anno, Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. ha annunciato che la sua produzione annuale di 10.000 tonnellate di progetto di produzione di precursori di materiali anodici di carbonio duro è stata ufficialmente messa in produzione nel parco industriale di grafite e grafene della città di Yong'an, Provincia del Fujian, che utilizza principalmente biomassa vegetale come materia prima. Da parte sua, Ningbo Sugo Co., Ltd. ha affermato che i materiali anodici duri di carbonio applicati alle batterie agli ioni di sodio hanno raggiunto vendite in tonnellata in Cina e si prevede che la scala della produzione di massa raggiungerà le 1.000 tonnellate quest'anno.
Ye Yindan, ricercatore presso il Bank of China Research Institute, ritiene che le batterie agli ioni di sodio siano migliori delle batterie elettroniche al litio in termini di bassa temperatura, sicurezza, ricarica rapida e altri indicatori di prestazione. Tuttavia, c’è ancora spazio per migliorare la densità energetica, la durata del ciclo e così via. Tuttavia, considerando la ricca fonte di materiali, esiste ancora un ampio potenziale di sviluppo. Con la svolta delle tecnologie chiave delle batterie agli ioni di sodio, come i materiali anodici di carbonio duro, e la rapida crescita della domanda di stoccaggio dell’energia, anche lo scenario applicativo e la portata delle batterie agli ioni di sodio verranno sviluppati rapidamente.