钠电池生物质硬碳负极

负极材料是制约钠电池规模化生产的主要因素之一，其中硬碳负极占钠电池成本约25%。目前，技术成熟的主要企业为日本企业，如可乐丽和吴羽化学，而国内产能相对有限。硬碳作为钠离子电池负极的首选材料，以及生物质基硬碳前驱体成为主流路线的原因。生物质基硬碳具有成本优势、可再生性、来源丰富性、绿色环保性等特点，且某些生物质具有独特的结构和成分，有利于提高硬碳的储钠性能。

然而，生物质基硬碳量产面临几个瓶颈问题，包括合适的前驱体筛选、批量供应稳定性、材料一致性问题以及工序设备复杂多样性。这些瓶颈涉及到原材料的筛选、供应链稳定性、生产工艺控制和技术积累等方面。

1、硬碳为当前钠离子电池负极首选

钠离子电池的负极材料应具备以下特征：工作电压低、比容量高、首周库仑效率高、压实密度高、电子和离子电导率高、结构稳定（体积形变小）、空气稳定、成本低、安全无毒。

目前主要的钠电负极材料为碳基材料、合金类材料、过渡金属氧化物及有机化合物等，具体如下：

图1：各类钠电负极材料对比

来源：余海军《钠离子电池负极材料的研究进展》

传统石墨是锂电池主要的负极材料，而由于热力学原因，钠离子无法嵌入到石墨层间形成稳定的化合物，因此石墨不适合作为钠离子电池的负极材料。相比之下，层间距较大的无定形碳（软碳、硬碳）具有更高的储钠容量、较低的储钠电位以及良好的循环稳定性，因此具有广阔的应用前景。

硬碳在高温处理后不会石墨化，具有高容量、支持快速充放电和较强的安全性等优势，其理论容量可达530mAh/g，在高能量密度需求下成为主流的负极材料。

软碳经高温处理后可石墨化，成本较硬碳低，但由于石墨结构，储钠量较低；尽管可以通过造孔工艺增加容量，但也会增加成本，与硬碳相比经济性不如硬碳。

2、生物基为硬碳前驱体主流路线

硬碳重要性能参数包含比容量、首次效率、压实密度、循环性能等，硬碳前驱体部分决定硬碳材料性能。硬碳材料的前驱体来源广泛，主要包括生物质基、化石燃料基、树脂基等，优缺点如下：

图2：各类硬碳前驱体优缺点

请注

从成本来看，生物质基、无烟煤基前驱体成本优势较为突出，树脂基成本较为高昂；从比容量性能来看，树脂基较为突出，生物质基优于沥青基及无烟煤基。

综合性能与成本，生物基成为目前企业主要的选择。此外生物质还具有可再生、来源丰富、价格低廉、绿色环保等优点，同时有些生物质具有独特的结构和成分，如中空、多孔、含氮元素等，这些将有利于提高硬碳的储钠性能。

3、生物质基硬碳量产瓶颈

瓶颈一：合适的前驱体筛选

硬碳的制造工艺的关键在于原材料的筛选。硬碳的生产过程通常包括原料选择、各种前处理、纯度控制、碳化和表面改性等阶段。原材料筛选具有较高的技术门槛，因为前体材料的选择范围广泛，来自不同地区和批次的生物质往往具有不同的特性。因此，许多企业会从原材料的选择开始确保一致性，以降低后续处理的成本（后续处理可能无法解决和控制灰分中的杂质类型导致的纯度问题）。

目前可用于硬碳的生物质基材料多达几十种，部分材料性能如下：

生物质基硬碳原材料的优势和挑战

生物质原料制备的硬碳产品具有高容量和优异性能，目前被企业广泛选择。然而，该行业仍存在几个挑战：

瓶颈二：批量供应稳定性

生物质原料多为植物器官、生物提取物和生物废料，如椰壳、淀粉、竹子、秸秆。企业需要面对运输半径和稳定供应的问题，以确保合理采购成本并建立供应链。

瓶颈三：材料一致性问题

材料结构一致性对电池系统的稳定性和循环寿命至关重要。不同生物质产地和批次的不一致性影响硬碳材料的结构和性能，需要确保前驱体具有高度一致性。

瓶颈四：工序设备复杂多样

硬碳生产中涉及原料选取、交联处理、碳化、纯化等多个工序，且不同原料需要经历不同工艺。生产设备包括粉碎机、球磨机、反应釜等，有些设备需进口，制约了生产成本。

因此，衡量生物质基硬碳材料的优势与挑战，企业需要关注原材料稳定性、材料一致性以及复杂的生产工序设备选型等因素，以提高产品竞争力。