Noticias SMM 24 de abril:
Según los datos más recientes de la Administración General de Aduanas, el volumen de importación de carbón de cáscara en marzo de 2025 fue de 9.871,1 toneladas, un aumento del 11% mensual pero una disminución del 40,5% interanual. El precio promedio de importación del carbón de cáscara en marzo fue de 492,39 dólares/tonelada.
El carbón de cáscara importado tiene una amplia gama de aplicaciones domésticas, incluyendo adsorción y purificación industrial, purificación de agua, mejora del suelo y uso como ánodo de carbono duro en celdas de baterías de iones de sodio. Las cáscaras de coco, como residuos agrícolas, con su estructura porosa natural y alto contenido de carbono (alrededor del 50%), proporcionan un precursor ideal para la producción de carbono duro. En comparación con materias primas tradicionales como el coque de petróleo, el carbono duro a base de cáscara de coco ofrece ventajas significativas como bajo costo, sostenibilidad (la producción anual global de cáscaras de coco supera las veinte millones de toneladas) y amigabilidad ambiental. ¿Cómo se transforma el carbón de cáscara de coco en un ánodo de carbono duro?
Paso 1: Modificación del Carbón de Cáscara de Coco
Etapa de Pretratamiento
Después de triturar y tamizar las cáscaras de coco hasta 20-40 malla, se utiliza el "método de dos pasos ácido-base" para eliminar impurezas: primero, remojándolas en una solución de NaOH al 5% a 80°C durante 12 horas para eliminar las cenizas, luego lavándolas con ácido clorhídrico al 3% para eliminar iones metálicos, y finalmente obteniendo polvo de cáscara de coco con un contenido de humedad < 2% mediante tecnología de secado flash. Este proceso reduce el contenido de cenizas desde un 3,5% inicial a menos del 0,3%.
Proceso de Activación y Formación de Poros
Se utiliza el método de activación con KOH para construir una estructura porosa jerárquica: el polvo de cáscara de coco se mezcla con KOH en una proporción de 1:3, se calienta a 800°C a una velocidad de 5°C/min en atmósfera de nitrógeno y se mantiene durante 2 horas. Durante este proceso, el KOH reacciona con el carbono (6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃), y el gas CO₂ generado graba el esqueleto de carbono, formando una estructura mesoporosa con un área superficial específica de 1.200-1.500 m²/g.
Carbonización a Alta Temperatura y Estabilización
El producto activado pasa por una segunda carbonización en atmósfera inerte a 1.200-1.400°C, formando una estructura de carbono duro estable controlando la velocidad de calentamiento (10°C/min) y el tiempo de mantenimiento (4 horas). En esta etapa, el grado de grafitización (La) aumenta desde 2,1 nm inicial a 3,5 nm, y el espaciamiento interlámina (d002) se estabiliza en 0,37-0,39 nm, cumpliendo con los requisitos para la intercalación de iones de sodio.
Optimización de Ingeniería de Superficie
Se utiliza la "tecnología de recubrimiento bifuncional carboxilo-carbonyl" para mejorar el rendimiento de la interfaz: el polvo de carbono duro se dispersa ultrasónicamente con ácido cítrico (relación de masa 1:0,1) en solución de etanol durante 2 horas, se seca al vacío (120°C, 12 horas) y luego se somete a un tratamiento térmico en atmósfera de argón a 400°C durante 2 horas. El análisis XPS muestra que la capa de recubrimiento introduce 0,8 at% de enlaces C=O, reduciendo la impedancia de la película SEI de 320 Ω a 120 Ω.
Paso 2: Preparación del Electrodo y Pruebas de Rendimiento
El carbono duro modificado (80%), Super P (10%) y PVDF (10%) se mezclan en NMP, se recubren sobre lámina de cobre (densidad areal 1,5 mg/cm²) y se secan al vacío a 80°C durante 12 horas para formar el electrodo. En pruebas de media celda, este ánodo de carbono duro exhibe una capacidad reversible de 280 mAh/g, con la eficiencia coulómbica inicial aumentando al 85%, y una tasa de retención de capacidad del 92% después de 200 ciclos. Al emparejarse con un cátodo de fosfato de hierro sódico, la densidad energética de la celda completa alcanza 105 Wh/kg, con una vida útil de ciclo que supera los 1.500 ciclos.
Paso 3: Avances Tecnológicos Clave para la Industrialización
Equipo de Producción Continua: Se desarrolló un horno de carbonización asistido por microondas, reduciendo el ciclo de producción de 24 horas en procesos tradicionales a 6 horas, con una reducción del 40% en el consumo de energía.
Sistema de Modificación Inteligente: Basado en algoritmos de aprendizaje automático, se logra un control preciso de la relación de activador (KOH/C) y la temperatura de carbonización, mejorando la estabilidad por lote del producto al 98%.
Electrolito de Bajo Costo: Se utiliza un sistema mixto de carbonato de etileno (EC)/carbonato de dimetilo (DMC)/carbonato de etil metilo (EMC)=3:3:4, combinado con sal de 1,2 M NaClO4, reduciendo los costos en un 60% en comparación con sales de litio tradicionales.
Actualmente, el carbono duro a base de cáscara de coco aún enfrenta desafíos como baja densidad aparente (0,6-0,8 g/cm³) y rendimiento insuficiente a alta tasa (tasa de retención de capacidad a 10C < 60%). Futuros avances en cuellos de botella de rendimiento pueden lograrse a través del diseño nanoestructural (por ejemplo, preparando compuestos de carbono duro/grafeno) y optimización del electrolito (por ejemplo, utilizando electrolitos de líquidos iónicos). Con el auge de la demanda global de almacenamiento de energía renovable, se espera que los ánodos de carbono duro a base de cáscara de coco logren una aplicación comercial a gran escala para 2030, impulsando el costo de las baterías de iones de sodio por debajo de ￥0,3/Wh.
Equipo de Investigación de Energía Nueva de SMM
Cong Wang 021-51666838
Rui Ma 021-51595780
Disheng Feng 021-51666714
Yanlin Lyu 021-20707875
