ハードカーボンは高温処理後も黒鉛化しません。内部の結晶配列が乱れており、層間隔が広い。これにより、ハードカーボンアノードは同じ体積でより多くの電荷を蓄えることができます。ナトリウムイオン電池のエネルギー密度と耐久性が向上します。放電プロセス中のハードカーボンアノードの膨張と収縮はより均一になり、そのサイクル安定性、充放電性能が向上し、ナトリウムイオン電池のサイクル耐用年数が延長されます。
太陽光、風力、その他の再生可能エネルギー発電の急速な拡大に伴い、エネルギー貯蔵電池用の新材料の研究も深まっています。第 15 回深セン中国国際電池技術展示会で、ある企業が新世代のナトリウムイオン電池ハードカーボン負極材料を発表しました。最初の充放電効率は 90% に達します。
中国には豊富なナトリウム資源があるため、ナトリウムイオン電池は大規模エネルギー貯蔵に最適な新型電池と考えられている。これらは、リチウム資源の不足やエネルギー貯蔵の限られた開発による不均等な分布によって引き起こされる問題を軽減することが期待されています。他のナトリウムイオン電池負極材料と比較して、ハードカーボン材料の利点は何ですか?中国のハードカーボン材料産業の発展状況はどうなっていますか?大規模なアプリケーションからどれくらい離れていますか?まだまだ先は長い。こうした疑問を抱いて、科学技術日報の記者は関係する専門家にインタビューした。
ハードカーボンはナトリウムイオン電池に最適な負極材料です
ナトリウムイオン電池は主に正極、負極、電解質、隔膜などで構成されており、動作原理はリチウムイオン電池と同様です。ナトリウムイオン電池の負極材料は、電池内のナトリウム貯蔵の主体として、充放電プロセス中にナトリウムイオンの埋め込みまたは放出を実現するため、電池の容量は、負極の貯蔵能力と正の相関関係があります。ナトリウムイオン。負極材料の選択は、ナトリウムイオン電池の開発において決定的な役割を果たします。
中南大学の周翔陽教授は、ナトリウムイオン電池の負極材料の分類は大きく５つに分類できると述べた。第一に、主にグラファイト、アモルファスカーボン、ナノカーボンなどを含む炭素ベースのアノード材料。そのうちアモルファスカーボンが工業化をリードする可能性が最も高い。第二に、合金アノード材料、理論容量は高いですが、ナトリウム膨張に埋め込まれた電子の量が大きく、サイクル性能が劣ります。第三に、金属酸化物および硫化物ベースのアノード材料は、理論容量は高いですが、導電性が劣ります。第四に、チタンベースの負極材料の埋め込み型、容量の変化量は小さいが低い。第五に、有機ベースのアノード材料であり、その体積は少ない。 5番目は、有機ベースのアノード材料であり、その体積は少ない。第５に、有機アノード材料は低コストであるが、導電性が低く、電解液に溶解しやすい。
炭素系負極材料は導電性に優れると同時に、製造方法が柔軟で低コストで環境に優しいため、ナトリウムイオン電池の負極材料の主な選択肢となっています。その中でも、アモルファスカーボンのハードカーボン材料とソフトカーボン材料は、ナトリウムイオン電池の負極材料として候補と考えられています。ソフトカーボンとは、高温処理後に黒鉛化可能な炭素を指し、通常、低コストの無煙炭を前駆体として加工製造して得られます。それでも、ナトリウム貯蔵の比容量が低く、充電速度が遅く、低温性能が劣っています。
ハードカーボンとは、高温処理しても黒鉛化しない炭素です。内部の結晶配列が乱れ、層間隔が広いため、ハードカーボンアノードは同じ体積でより多くの電荷を蓄え、電池のエネルギー密度と耐久性が向上します。ハードカーボンは細孔構造が大きいため、より多くのナトリウムイオンを保持できます。したがって、放電プロセス中に電極がより均一に膨張および収縮し、ハードカーボンアノードのサイクル安定性と充放電性能が向上し、ナトリウムイオン電池のサイクル耐用年数が延長されます。
周翔陽氏は、さまざまな種類のカーボン負極材料の性能を比較することで、ハードカーボンがナトリウムイオン電池の商業化に適した負極材料であることがわかり、工業化の先頭に立つと期待されていると述べた。
バイオマスが硬質炭素材料製造の主流に
「原料源であるハードカーボン前駆体は豊富であり、前駆体の選択とプロセス技術の蓄積がハードカーボンアノード材料の開発の重要な要素となります。」周襄陽氏は語った。
ハードカーボン材料を調製するための前駆体は、一般的にバイオマス、合成ポリマー、化石燃料などです。異なる前駆体によって調製されるハードカーボン材料には大きな性能の違いがあり、ハードカーボン材料のコスト構成もまた、供給源の違いにより大きく異なります。前駆体の原料。その中でも、バイオマスは、ココナツの殻、果物の殻、グレープフルーツの皮、動植物の組織など、幅広い原料源があり、コストが比較的低いため、ハードカーボン材料の調製の最初の選択肢となっています。現在のところ。合成ポリマーには主にフェノール樹脂、ポリアクリロニトリル、およびその他の化学合成材料が含まれます。これらは良好な電気化学的特性、制御可能な原材料、良好な製品の一貫性を備えていますが、コストが高くなります。化石燃料には主にアスファルト、コールタール、および関連混合物が含まれており、幅広い原料源から低コストで入手できますが、製品能力は低くなります。アスファルトなどには揮発性の高い物質が含まれるため、製造工程での排ガス処理や排水処理が別途必要となり、製造コストが増加します。
現在、ハードカーボンの製造プロセスは多重化されており、常に ハードカーボン負極 素材開発中。たとえば、中国科学院山西石炭化学研究所の研究者、陳成夢氏率いるチームは、化学反応を通じてデンプンを硬質炭素負極材料に調製し、その結果は学術誌「エネルギーストレージ」に発表された。材料。
でんぷんをどのようにして硬い炭素に調製するのでしょうか?プロセスは大きく 3 つのステップに分けることができます。まず、コーンスターチと無水マレイン酸を使用して酸素の豊富なエステル化デンプンを調製します。次に、反応器に水素とアルゴンガスの混合物、および水素還元反応用のエステル化デンプンを投入し、反応生成物のデンプンは最終製品の前駆体として使用されます。最後に保護ガスとしてアルゴンを使用し、デンプン前駆体を1100℃で高温炭化反応させ、ハードカーボン材料の調製を完了します。
また、Chen Chengmeng チームは、管状炉内の反応温度を変更し、反応生成物の前駆体中の酸素含有量を調整することにより、ハード カーボンの微細構造の制御を実現し、酸素含有量がハード カーボン アノード材料の電気化学的特性に及ぼす影響を確認しました。 。
Chen Chengmeng 氏は、チームの研究はその後の高性能ハードカーボン材料開発の基礎を築いたが、材料の微細構造と電気化学的特性についてはまだ深く調査する必要があると強調した。
さらに、復丹大学のYongyao Xia教授らは、貝殻バイオマス材料を水アルコール溶液と硫酸溶液に順次浸漬し、撹拌して懸濁液を得た。次に、懸濁液を水に分散させ、濾過し、乾燥させて前駆体を得た。彼らは、前駆体を前炭化のために不活性ガス保護下で加熱し、冷却してボールミル粉砕してプレカーボン粉末を得ました。彼らは、高温炭化のために不活性ガス保護下でプレカーボン粉末を加熱し、冷却して、ナトリウムイオン電池用の高効率バイオマスハードカーボン負極材料を入手した。
ハードカーボン負極材料産業の市場規模は拡大し続ける
ナトリウムイオン電池は、国内外で研究と産業化の注目の的となっています。国家発展改革委員会、国家エネルギー委員会、その他9部門は「第14次5カ年」再生可能エネルギー開発計画を発表し、ナトリウムイオン電池、液体金属電池、固体リチウムイオン電池の研究開発埋蔵量を提示した。電池、金属空気電池、リチウム硫黄電池、その他の高エネルギー密度エネルギー貯蔵技術。
周翔陽氏は、現在、ハードカーボンのナトリウム貯蔵メカニズムの研究者らはさまざまなモデルを提案しているが、そのナトリウム貯蔵メカニズムはまだ統一された理解に達していないと述べた。したがって、ハードカーボンの性能を向上させるための理論的指針と科学的根拠を提供するために、ハードカーボン材料と電気化学反応機構との間の構成的関係を明らかにするさらなる研究が必要である。さらに、ハードカーボン材料を使用した際の性能を相乗的に向上させるために、ハードカーボン材料の物理的パラメータ（粒径、振動密度、質量負荷など）が電気化学的性能に与える影響もさらに調査する必要があります。ナトリウムイオン電池システム。
北京智慧研究コンサルティング有限公司が発表した「中国硬質炭素陽極産業市場特別調査及び投資見通し分析報告書2023-2029年」では、新エネルギー車とエネルギー貯蔵装置の開発に対する国家支援により、中国のハードカーボン負極材産業の市場規模はさらに拡大するとみられる。市場予測によると、2025年に中国のハードカーボン負極材料産業の市場規模は86億5000万元に達し、今後5年間のハードカーボン負極材料産業の年平均成長率は15.3%に達すると予想されている。
現在、国内のハードカーボン負極材料産業の発展期間が比較的短いため、ほとんどの企業と研究機関はまだ技術の研究開発と最適化の段階にあります。しかし、国内の大手メーカーはハードカーボン負極材料の生産を積極的に進めている。今年4月、広東栄ナトリウム新エネルギー技術有限公司は、年間生産量1万トンのハードカーボン負極材料前駆体生産プロジェクトが永安市の黒鉛・グラフェン工業団地で正式に生産開始されたと発表した。主に植物由来のバイオマスを原料とする福建省。一方、寧波素郷有限公司は、ナトリウムイオン電池に適用されるハードカーボン負極材が中国でトン数の販売を達成しており、今年の量産規模は1,000トンに達する見込みであると述べた。
中国銀行研究所の研究員、葉銀丹氏は、低温、安全性、急速充電、その他の性能指標の点で、ナトリウムイオン電池がリチウム電子電池よりも優れていると考えている。しかし、エネルギー密度やサイクル寿命などにはまだ改善の余地があります。しかし、豊富な材料資源を考慮すると、開発の可能性はまだ大きくあります。ハードカーボン負極材料などのナトリウムイオン電池の主要技術の進歩とエネルギー貯蔵需要の急速な成長により、ナトリウムイオン電池の応用シナリオと規模も急速に発展すると考えられます。