Твердый углерод не графитируется после высокотемпературной обработки. Его внутреннее кристаллическое расположение неупорядочено, расстояние между слоями велико. Это заставляет твердый углеродный анод хранить больше заряда в том же объеме. Улучшает плотность энергии и срок службы натрий-ионных аккумуляторов. Расширение и сжатие твердого углеродного анода более равномерно в процессе разряда, что повышает его циклическую стабильность, производительность зарядки и разрядки, а также продлевает срок службы натрий-ионной батареи.
С быстрым распространением солнечной, ветровой и других возобновляемых источников энергии исследования новых материалов для аккумуляторных батарей также углубляются. На 15-й Шэньчжэньской китайской международной выставке аккумуляторных технологий компания представила новое поколение твердоуглеродных анодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов; его первая эффективность зарядки и разрядки может достигать 90%.
Учитывая обильные запасы натрия в Китае, натрий-ионные батареи считаются наиболее подходящим новым типом батарей для крупномасштабного хранения энергии. Ожидается, что они облегчат проблемы, вызванные нехваткой литиевых ресурсов, а также неравномерным распределением ограниченных возможностей хранения энергии. Каковы преимущества твердых углеродных материалов по сравнению с другими анодными материалами для натрий-ионных аккумуляторов? Каков статус развития промышленности твердых углеродных материалов в Китае? Как далеко от крупномасштабного приложения? Нам еще предстоит пройти долгий путь. С этими вопросами репортер Science and Technology Daily взял интервью у соответствующих экспертов.
Твердый углерод является предпочтительным материалом анода для натрий-ионных аккумуляторов.
Натрий-ионный аккумулятор в основном состоит из положительных электродов, отрицательного электрода, электролита, диафрагмы и т. д. Его принцип работы аналогичен принципу работы литий-ионных аккумуляторов. Являясь основным хранилищем натрия в батарее, анодный материал натрий-ионной батареи обеспечивает внедрение или отделение ионов натрия во время процесса зарядки и разрядки, поэтому емкость батареи положительно коррелирует со способностью анода хранить ионы натрия. Выбор анодных материалов имеет решающую роль при разработке натрий-ионных аккумуляторов.
Чжоу Сянъян, профессор Центрального Южного университета, сказал, что классификацию анодных материалов для натрий-ионных батарей можно условно разделить на пять категорий. Во-первых, анодные материалы на основе углерода, в основном включающие графит, аморфный углерод, наноуглерод и т. д., из которых аморфный углерод, скорее всего, возьмет на себя ведущую роль в индустриализации; во-вторых, сплавы анодных материалов, теоретическая емкость высока, но объем электронов, внедренных в расширение натрия, серьезен, а производительность цикла низкая; в-третьих, оксиды металлов и анодные материалы на основе сульфидов, теоретическая емкость высока, но проводимость плохая; в-четвертых, встроенный тип анодных материалов на основе титана, объем изменения небольшой, но низкой емкости; в-пятых, анодные материалы на органической основе, объем которых невелик; в-пятых, анодные материалы на органической основе, объем которых невелик. В-пятых, органические анодные материалы имеют низкую стоимость, но плохую проводимость и легко растворяются в электролите.
Анодные материалы на основе углерода обладают превосходной электропроводностью, и в то же время метод их изготовления является гибким, недорогим и экологически чистым, поэтому они стали основным выбором анодных материалов для натрий-ионных батарей. Среди них твердый углерод и мягкие углеродные материалы в аморфном углероде считаются потенциальными анодными материалами для натрий-ионных батарей. Мягкий углерод относится к углероду, который может быть графитирован после высокотемпературной обработки, который обычно получается путем переработки и производства недорогого антрацита в качестве прекурсора. Тем не менее, он имеет низкую удельную емкость для хранения натрия, медленную скорость зарядки и плохую работу при низких температурах.
Твердый углерод — это углерод, который не графитируется после высокотемпературной обработки; его внутреннее расположение кристаллов неупорядочено, а расстояние между слоями велико, что позволяет твердому углеродному аноду хранить больше заряда в том же объеме и повышает плотность энергии и срок службы батареи. Поскольку пористая структура твердого углерода больше, он может удерживать больше ионов натрия. Следовательно, электрод расширяется и сжимается более равномерно во время процесса разряда, что повышает стабильность цикличности и производительность заряда/разряда твердого углеродного анода, а также продлевает срок службы натрий-ионной батареи.
Чжоу Сянъян сказал, что, сравнивая характеристики различных видов углеродных анодных материалов, можно обнаружить, что твердый углерод является предпочтительным решением в качестве анодных материалов для коммерциализации натрий-ионных батарей и, как ожидается, возьмет на себя ведущую роль в индустриализации.
Биомасса становится основным средством получения твердоуглеродных материалов
«Предшественники твердого углерода, источники сырья, имеются в изобилии, а выбор прекурсоров и накопление технологических процессов являются ключевыми факторами в разработке твердых углеродных анодных материалов». Сказал Чжоу Сянъян.
Прекурсорами для приготовления твердых углеродных материалов обычно являются биомасса, синтетические полимеры, ископаемое топливо и т. д. Твердые углеродные материалы, полученные из разных предшественников, имеют значительные различия в характеристиках, а стоимостная структура твердых углеродных материалов также значительно различается из-за разных источников сырье для прекурсоров. Среди них биомасса имеет широкий спектр источников сырья, таких как скорлупа кокосовых орехов, скорлупа фруктов, кожура грейпфрута, ткани растений и животных и т. д. Стоимость относительно низкая, что делает ее лучшим выбором для получения твердых углеродных материалов. в настоящий момент. Синтетические полимеры в основном включают фенольные смолы, полиакрилонитрил и другие химически синтезированные материалы, которые имеют хорошие электрохимические свойства, контролируемое сырье и хорошую консистенцию продукта, но имеют более высокую стоимость. Ископаемое топливо в основном включает асфальт, каменноугольную смолу и родственные смеси, которые имеют низкую стоимость из широкого спектра источников сырья, но имеют меньшую производительность. Из-за легколетучих веществ, содержащихся в асфальте и т. д., в процессе производства требуется дополнительная очистка выхлопных газов и сточных вод, что увеличивает себестоимость продукции.
В настоящее время процесс получения твердого углерода мультиплексирован, и постоянно возникают Твердый углеродный отрицательный электрод разрабатываемые материалы. Например, группа под руководством Чэнь Чэнмэна, исследователя из Шаньсийского института углехимии Китайской академии наук, с помощью химической реакции приготовила из крахмала твердые углеродно-отрицательные электродные материалы, и ее результаты были опубликованы в академическом журнале Energy Storage. Материалы.
Как превратить крахмал в твердый углерод? Процесс можно условно разделить на три этапа: во-первых, использование кукурузного крахмала и малеинового ангидрида для приготовления этерифицированного крахмала, богатого кислородом; а затем в реактор вводят газовую смесь водорода и аргона и этерифицированный крахмал для реакции восстановления водорода, причем продукт реакции крахмал используют в качестве предшественника конечного продукта; наконец, аргон в качестве защитного газа, предшественника крахмала при 1100 ℃ для реакции высокотемпературной карбонизации, чтобы завершить подготовку твердого углеродного материала.
Команда Чэнь Чэнмэна также реализовала регулирование микроструктуры твердого углерода путем изменения температуры реакции в трубчатой печи и регулирования содержания кислорода в предшественнике продукта реакции, подтвердив влияние содержания кислорода на электрохимические свойства твердых углеродных анодных материалов. .
Чэнь Чэнмэн подчеркнул, что, хотя исследования группы заложили основу для последующей разработки высокопроизводительных твердых углеродных материалов, микроструктура и электрохимические свойства материалов все еще требуют глубокого изучения.
Кроме того, профессор Юнъяо Ся и другие из Университета Фудань последовательно погружали материал биомассы скорлупы в водно-спиртовой раствор и раствор серной кислоты и перемешивали, чтобы получить суспензию; затем суспензию диспергировали в воде, фильтровали и сушили с получением предшественника. Они нагрели прекурсор под защитой инертного газа для предварительной карбонизации, охладили его и измельчили в шаровой мельнице, чтобы получить предварительно углеродный порошок. Они нагрели предуглеродный порошок под защитой инертного газа для высокотемпературной карбонизации, охладили его и получили высокоэффективные твердые углеродные анодные материалы из биомассы для натрий-ионных аккумуляторов.
Объем рынка производства твердых углеродных отрицательных электродов будет продолжать расти
Натрий-ионные аккумуляторы стали горячей точкой для исследований и индустриализации в стране и за рубежом. Национальная комиссия по развитию и реформам, Национальный совет по энергетике и девять других ведомств опубликовали «14-й пятилетний» план развития возобновляемой энергетики, в котором обозначены резервы исследований и разработок для натрий-ионных батарей, жидкометаллических батарей, твердотельных литий-ионных батарей. батареи, металло-воздушные батареи, литий-серные батареи и другие технологии хранения энергии с высокой плотностью энергии.
Чжоу Сянъян сказал, что в настоящее время исследователи механизмов хранения твердого углерода и натрия предлагают множество моделей, но механизм хранения натрия еще не достиг единого понимания. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы выявить определяющую связь между твердыми углеродными материалами и механизмом электрохимической реакции, чтобы обеспечить теоретическое руководство и научную основу для улучшения характеристик твердого углерода. Кроме того, необходимо дополнительно изучить влияние физических параметров твердых углеродных материалов, таких как размер частиц, плотность вибрации и массовая нагрузка, на электрохимические характеристики, чтобы синергетически улучшить характеристики материалов при их использовании в системы натрий-ионных аккумуляторов.
В «Специальном обзоре китайского рынка твердых углеродных анодов и отчете об анализе инвестиционных перспектив на 2023-2029 годы», опубликованном Beijing Wisdom Research Consulting Co., Ltd., отмечается, что при национальной поддержке разработки новых энергетических транспортных средств и оборудования для хранения энергии, Масштаб рынка китайской промышленности твердых углеродных анодных материалов будет расти и дальше. Согласно рыночному прогнозу, в 2025 году объем рынка производства материалов для твердых углеродных отрицательных электродов в Китае достигнет 8,65 млрд юаней, а среднегодовые темпы роста промышленности материалов для отрицательных углеродных электродов в ближайшие пять лет достигнут 15,3%.
В настоящее время из-за относительно короткого времени развития отечественной промышленности твердых углеродистых материалов для отрицательных электродов большинство предприятий и научно-исследовательских институтов все еще находятся на стадии технологических исследований, разработок и оптимизации. Однако крупные отечественные производители активно осваивают производство твердых углеродоотрицательных электродных материалов. В апреле этого года компания Guangdong Rong Sodium New Energy Technology Co., Ltd. объявила, что ее проект по производству прекурсоров твердого углеродного анодного материала в годовом объеме в 10 000 тонн был официально запущен в производство в графитовом и графеновом промышленном парке города Юнъань. Провинция Фуцзянь, где в качестве сырья в основном используется растительная биомасса. Со своей стороны, компания Ningbo Sugo Co., Ltd. сообщила, что твердые углеродные анодные материалы, применяемые в натрий-ионных батареях, достигли объемов продаж в Китае, и ожидается, что в этом году масштабы массового производства достигнут 1000 тонн.
Е Индань, исследователь из Научно-исследовательского института Банка Китая, считает, что натрий-ионные батареи лучше литиевых электронных батарей с точки зрения низкой температуры, безопасности, быстрой зарядки и других показателей производительности. Однако еще есть возможности для улучшения их энергетической плотности, срока службы и так далее. Однако, учитывая богатый источник материалов, потенциал для развития все еще остается большим. Благодаря прорыву в ключевых технологиях натрий-ионных батарей, таких как твердые углеродные анодные материалы, и быстрому росту спроса на накопители энергии, сценарий применения и масштабы натрий-ионных батарей также будут быстро развиваться.