O carbono duro não grafitiza após tratamento em alta temperatura. Seu arranjo cristalino interno é desordenado e o espaçamento entre camadas é grande. Isso faz com que o ânodo de carbono duro armazene mais carga no mesmo volume. Melhora a densidade de energia e a resistência das baterias de íon de sódio. A expansão e contração do ânodo de carbono duro são mais uniformes durante o processo de descarga, o que aumenta sua estabilidade de ciclagem, desempenho de carga e descarga e prolonga a vida útil de ciclagem da bateria de íon de sódio.
Com a rápida expansão da geração de energia solar, eólica e outras energias renováveis, a investigação sobre novos materiais para baterias de armazenamento de energia também está a aprofundar-se. Na 15ª Exposição Internacional de Tecnologia de Baterias de Shenzhen, China, uma empresa lançou uma nova geração de materiais de ânodo de carbono duro para baterias de íons de sódio; sua primeira eficiência de carga e descarga pode chegar a 90%.
Com os abundantes recursos de sódio da China, as baterias de íons de sódio são consideradas o novo tipo de bateria mais adequado para armazenamento de energia em grande escala. Espera-se que aliviem os problemas causados pela escassez de recursos de lítio, bem como pela distribuição desigual do desenvolvimento limitado do armazenamento de energia. Comparado com outros materiais anódicos para baterias de íon de sódio, quais são as vantagens dos materiais de carbono duro? Qual é a situação do desenvolvimento da indústria de materiais de carbono duro na China? A que distância da aplicação em grande escala? Há ainda um longo caminho a percorrer. Com essas perguntas, o repórter do Science and Technology Daily entrevistou os especialistas relevantes.
Carbono duro é o material anódico preferido para baterias de íon de sódio
A bateria de íon de sódio é composta principalmente de eletrodos positivos, eletrodo negativo, eletrólitos, diafragma, etc. Seu princípio de funcionamento é semelhante ao das baterias de íon de lítio. Como o corpo principal de armazenamento de sódio na bateria, o material do ânodo da bateria de íon de sódio realiza a incorporação ou desengajamento de íons de sódio durante o processo de carga e descarga, de modo que a capacidade da bateria está positivamente correlacionada com a capacidade do ânodo de armazenar íons de sódio. A seleção dos materiais anódicos tem um papel decisivo no desenvolvimento de baterias de íons de sódio.
Zhou Xiangyang, professor da Universidade Central Sul, disse que a classificação dos materiais anódicos para baterias de íon de sódio pode ser dividida em cinco categorias. Em primeiro lugar, os materiais anódicos à base de carbono, incluindo principalmente grafite, carbono amorfo, nanocarbono, etc., dos quais o carbono amorfo é o que tem maior probabilidade de assumir a liderança na industrialização; em segundo lugar, materiais de ânodo de liga, a capacidade teórica é alta, mas o volume de elétrons incorporados na expansão do sódio é sério e o desempenho do ciclo é ruim; terceiro, óxidos metálicos e materiais anódicos à base de sulfeto, a capacidade teórica é alta, mas a condutividade é baixa; quarto, tipo incorporado de materiais anódicos à base de titânio, o volume de mudança em pequena, mas baixa capacidade; quinto, materiais anódicos de base orgânica, cujo volume é baixo; quinto, materiais anódicos de base orgânica, cujo volume é baixo. Quinto, os materiais anódicos orgânicos têm baixo custo, mas baixa condutividade e são fáceis de dissolver no eletrólito.
Os materiais anódicos à base de carbono têm excelente condutividade elétrica e, ao mesmo tempo, o método de preparação é flexível, de baixo custo e ecologicamente correto, por isso se tornaram a principal escolha de materiais anódicos para baterias de íon de sódio. Entre eles, materiais de carbono duro e carbono macio em carbono amorfo são considerados potenciais materiais anódicos para baterias de íons de sódio. Carbono macio refere-se ao carbono que pode ser grafitado após tratamento em alta temperatura, que geralmente é obtido pelo processamento e fabricação de antracito de baixo custo como precursor. Ainda assim, tem baixa capacidade específica para armazenamento de sódio, velocidade de carregamento lenta e baixo desempenho em baixas temperaturas.
Carbono duro é carbono que não será grafitado após tratamento em alta temperatura; seu arranjo interno de cristal é desordenado e o espaçamento entre camadas é grande, o que faz com que o ânodo de carbono duro armazene mais carga no mesmo volume e melhora a densidade de energia e a resistência da bateria. Como a estrutura dos poros do carbono duro é maior, ele pode reter mais íons de sódio. Conseqüentemente, o eletrodo se expande e contrai mais uniformemente durante o processo de descarga, o que aumenta a estabilidade do ciclo e o desempenho de carga/descarga do ânodo de carbono duro e prolonga a vida útil do ciclo da bateria de íon de sódio.
Zhou Xiangyang disse que, comparando o desempenho de diferentes tipos de materiais anódicos de carbono, pode-se descobrir que o carbono duro é a solução preferida de materiais anódicos para a comercialização de baterias de íon de sódio e deverá assumir a liderança na industrialização.
A biomassa se torna popular na preparação de materiais de carbono duro
“Os precursores de carbono duro e as fontes de matéria-prima são abundantes, e a seleção de precursores e o acúmulo de tecnologia de processo são fatores-chave no desenvolvimento de materiais anódicos de carbono duro.” Zhou Xiangyang disse.
Os precursores para a preparação de materiais de carbono duro são geralmente biomassa, polímeros sintéticos, combustíveis fósseis, etc. Os materiais de carbono duro preparados por diferentes precursores têm diferenças significativas de desempenho, e a composição de custos dos materiais de carbono duro também é significativamente diferente devido às diferentes fontes de matérias-primas para precursores. Dentre elas, a biomassa possui uma ampla gama de fontes de matéria-prima, como cascas de coco, cascas de frutas, cascas de toranja, tecidos vegetais e animais, etc. O custo é relativamente baixo, o que a torna a primeira escolha para a preparação de materiais de carbono duro. Atualmente. Os polímeros sintéticos incluem principalmente resinas fenólicas, poliacrilonitrila e outros materiais sintetizados quimicamente, que possuem boas propriedades eletroquímicas, matérias-primas controláveis e boa consistência do produto, mas com custo mais elevado. Os combustíveis fósseis incluem principalmente asfalto, alcatrão de carvão e misturas relacionadas, com baixo custo proveniente de uma ampla gama de fontes de matérias-primas, mas com menor capacidade de produção. Devido às substâncias altamente voláteis contidas no asfalto, etc., são necessários gases de escape adicionais e tratamento de águas residuais durante o processo de produção, aumentando assim o custo de produção.
Atualmente, o processo de preparação de carbono duro é multiplexado e há constantemente eletrodo negativo de carbono duro materiais que estão sendo desenvolvidos. Por exemplo, uma equipe liderada por Chen Chengmeng, pesquisador do Instituto Shanxi de Química do Carvão, da Academia Chinesa de Ciências, preparou amido em materiais duros de eletrodos com carbono negativo por meio de uma reação química, e seus resultados foram publicados na revista acadêmica Energy Storage. Materiais.
Como você transforma o amido em carbono duro? O processo pode ser dividido aproximadamente em três etapas: em primeiro lugar, a utilização de amido de milho e anidrido maleico para preparar um amido esterificado rico em oxigênio; e então na entrada do reator mistura de hidrogênio e gás argônio, e amido esterificado para reação de redução de hidrogênio, o produto da reação amido utilizado como precursor do produto final; finalmente, o argônio como gás protetor, o precursor do amido a 1100 ℃ para a reação de carbonização em alta temperatura, para completar a preparação do material de carbono duro.
A equipe de Chen Chengmeng também realizou a regulação da microestrutura do carbono duro, alterando a temperatura de reação no forno tubular e ajustando o teor de oxigênio no precursor do produto de reação, confirmando o efeito do teor de oxigênio nas propriedades eletroquímicas dos materiais anódicos de carbono duro. .
Chen Chengmeng enfatizou que, embora a pesquisa da equipe tenha lançado as bases para o desenvolvimento subsequente de materiais de carbono duro de alto desempenho, a microestrutura e as propriedades eletroquímicas dos materiais ainda precisam ser exploradas em profundidade.
Além disso, o professor Yongyao Xia e outros da Universidade Fudan imergiram sequencialmente o material de biomassa da casca em uma solução hidroalcoólica e uma solução de ácido sulfúrico e agitaram-no para obter a suspensão; em seguida, a suspensão foi dispersa em água, filtrada e seca para obtenção do precursor. Eles aqueceram o precursor sob proteção de gás inerte para pré-carbonização, resfriaram-no e moeram-no para obter pó de pré-carbono. Eles aqueceram o pó de pré-carbono sob proteção de gás inerte para carbonização em alta temperatura, resfriaram-no e obtiveram materiais de ânodo de carbono duro de biomassa altamente eficientes para baterias de íon de sódio.
O tamanho do mercado da indústria de materiais de eletrodo negativo de carbono duro continuará a crescer
As baterias de íon de sódio tornaram-se um ponto importante para pesquisa e industrialização no país e no exterior. A Comissão Nacional de Desenvolvimento e Reforma, o Conselho Nacional de Energia e nove outros departamentos emitiram o “14º Plano Quinquenal” de Desenvolvimento de Energia Renovável, que apresenta reservas de pesquisa e desenvolvimento para baterias de íon de sódio, baterias de metal líquido, baterias de íon de lítio de estado sólido baterias, baterias de metal-ar, baterias de lítio-enxofre e outras tecnologias de armazenamento de energia de alta densidade energética.
Zhou Xiangyang disse que, atualmente, os pesquisadores de mecanismos de armazenamento de carbono duro e sódio propuseram uma variedade de modelos, mas seu mecanismo de armazenamento de sódio ainda não atingiu um entendimento unificado. Portanto, mais pesquisas são necessárias para revelar a relação constitutiva entre os materiais de carbono duro e o mecanismo de reação eletroquímica para fornecer orientação teórica e base científica para melhorar o desempenho do carbono duro. Além disso, os efeitos dos parâmetros físicos dos materiais de carbono duro, como tamanho das partículas, densidade de vibração e carga de massa, no desempenho eletroquímico também precisam ser mais explorados, a fim de melhorar sinergicamente o desempenho dos materiais quando são usados em sistemas de bateria de íon de sódio.
A “Pesquisa Especial do Mercado da Indústria de Ânodos de Carbono Duro da China e Relatório de Análise de Perspectivas de Investimento 2023-2029” divulgada pela Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd. aponta que com o apoio nacional para o desenvolvimento de novos veículos de energia e equipamentos de armazenamento de energia, o a escala de mercado da indústria de materiais anódicos de carbono duro da China crescerá ainda mais. De acordo com a previsão do mercado, em 2025, o tamanho do mercado da indústria de materiais para eletrodos negativos de carbono duro da China atingirá 8,65 bilhões de yuans, e a taxa média de crescimento anual da indústria de materiais para eletrodos negativos de carbono duro nos próximos cinco anos alcançará 15,3%.
Atualmente, devido ao tempo de desenvolvimento relativamente curto da indústria nacional de materiais para eletrodos negativos de carbono duro, a maioria das empresas e instituições de pesquisa ainda estão no estágio de pesquisa, desenvolvimento e otimização de tecnologia. No entanto, os principais fabricantes nacionais estão ativamente planejando a produção de materiais duros para eletrodos com carbono negativo. Em abril deste ano, Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. anunciou que sua produção anual de 10.000 toneladas de projeto de produção de precursor de material anódico de carbono duro foi oficialmente colocada em produção no parque industrial de grafite e grafeno da cidade de Yong'an, Província de Fujian, que utiliza principalmente biomassa vegetal como matéria-prima. Por sua vez, a Ningbo Sugo Co., Ltd. disse que os materiais de ânodo de carbono duro aplicados às baterias de íon de sódio alcançaram vendas em tonelagem na China, e espera-se que a escala de produção em massa atinja 1.000 toneladas este ano.
Ye Yindan, pesquisador do Instituto de Pesquisa do Banco da China, acredita que as baterias de íon de sódio são melhores do que as baterias eletrônicas de lítio em termos de baixa temperatura, segurança, carregamento rápido e outros indicadores de desempenho. No entanto, ainda há espaço para melhorias na sua densidade energética, ciclo de vida e assim por diante. Contudo, considerando a rica fonte de materiais, ainda existe um grande potencial de desenvolvimento. Com o avanço das principais tecnologias de baterias de íon de sódio, como materiais anódicos de carbono duro, e o rápido crescimento da demanda de armazenamento de energia, o cenário de aplicação e a escala das baterias de íon de sódio também serão desenvolvidos rapidamente.