【SMM Анализ】Как индустриализировать натрий-ионные батареи с использованием анодов из твердого углерода на основе кокосовой скорлупы?

SMM, 24 апреля:

Согласно последним данным Генеральной администрации таможни, объем импорта кокосового угля в марте 2025 года составил 9,871.1 тонн, увеличившись на 11% по сравнению с предыдущим месяцем, но снизившись на 40,5% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Средняя цена импорта кокосового угля в марте составила $492,39 за тонну.

Импортируемый кокосовый уголь имеет широкий спектр применения внутри страны, включая промышленную адсорбцию и очистку, очистку воды, улучшение почвы и использование в качестве анода из твердого углерода в ячейках натрий-ионных батарей. Кокосовые орехи, как сельскохозяйственные отходы, с их естественной пористой структурой и высоким содержанием углерода (около 50%), предоставляют идеальный исходный материал для производства твердого углерода. По сравнению с традиционными сырьевыми материалами, такими как нефтяной кокс, твердый углерод на основе кокосовых орехов обладает значительными преимуществами, такими как низкая стоимость, устойчивость (глобальное годовое производство кокосовых орехов превышает двадцать миллионов тонн) и экологичность. Как же кокосовый уголь превращается в анод из твердого углерода?

Шаг-1: Модификация кокосового угля

Этап предварительной обработки

После дробления и просеивания кокосовых орехов до размера 20-40 меш используется "двухступенчатый метод кислотно-щелочной обработки" для удаления примесей: сначала замачивание в 5%-ном растворе NaOH при 80°C в течение 12 часов для удаления золы, затем кислотная промывка 3%-ным раствором HCl для удаления металлических ионов, и, наконец, получение кокосовой муки с влажностью менее 2% с помощью технологии быстрой сушки. Этот процесс снижает содержание золы с начального 3,5% до менее 0,3%.

Процесс активации и формирования пор

Используется метод активации KOH для создания иерархической пористой структуры: кокосовая мука смешивается с KOH в соотношении 1:3, нагревается до 800°C со скоростью 5°C/мин в атмосфере азота и выдерживается в течение 2 часов. В ходе этого процесса KOH реагирует с углеродом (6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃), и образующийся CO₂ газ вытравливает углеродный каркас, формируя мезопористую структуру с удельной поверхностью 1,200-1,500 м²/г.

Высокотемпературная карбонизация и стабилизация

Активированный продукт подвергается вторичной карбонизации в инертной атмосфере при 1,200-1,400°C, формируя стабильную структуру твердого углерода путем контроля скорости нагрева (10°C/мин) и времени выдержки (4 часа). На этом этапе степень графитизации (La) увеличивается с начальных 2,1 нм до 3,5 нм, а межслоевое расстояние (d002) стабилизируется на уровне 0,37-0,39 нм, что соответствует требованиям внедрения ионов натрия.

Оптимизация поверхностного инженеринга

Используется "технология двухфункционального покрытия карбоксильными и карбонильными группами" для улучшения интерфейсных характеристик: порошок твердого углерода ультразвуково диспергируется с лимонной кислотой (массовое соотношение 1:0,1) в этаноловом растворе в течение 2 часов, вакуум-сушка (120°C, 12 часов), а затем термообработка в аргоновой атмосфере при 400°C в течение 2 часов. Анализ XPS показывает, что покрытие вводит 0,8 ат.% связей C=O, снижая импеданс пленки SEI с 320 Ом до 120 Ом.

Шаг-2: Подготовка электрода и тестирование его характеристик

Модифицированный твердый углерод (80%), Super P (10%) и PVDF (10%) перемешиваются в NMP, наносятся на медную фольгу (плотность 1,5 мг/см²) и вакуум-сушатся при 80°C в течение 12 часов, образуя электрод. При тестировании в полусотовых элементах этот анод из твердого углерода демонстрирует обратимую емкость 280 мА·ч/г, с начальной кулоновской эффективностью, увеличенной до 85%, и коэффициентом сохранения емкости 92% после 200 циклов. При сочетании с катодом из железофосфата натрия энергетическая плотность полного элемента достигает 105 Вт·ч/кг, а срок службы превышает 1,500 циклов.

Шаг-3: Ключевые технологические прорывы для индустриализации

Непрерывное производственное оборудование: разработана печь для карбонизации с использованием микроволн, сокращающая производственный цикл с 24 часов в традиционных процессах до 6 часов, с 40%-ным снижением энергопотребления.

Интеллектуальная система модификации: на основе алгоритмов машинного обучения достигается точное управление соотношением активатора (KOH/C) и температурой карбонизации, повышая стабильность партий продукции до 98%.

Дешевый электролит: используется смешанная система этиленкарбоната (EC)/диметилкарбоната (DMC)/этилметилкарбоната (EMC)=3:3:4, в сочетании с 1,2 M NaClO₄, снижая затраты на 60% по сравнению с традиционными литиевыми солями.

В настоящее время твердый углерод на основе кокосовых орехов все еще сталкивается с проблемами, такими как низкая насыпная плотность (0,6-0,8 г/см³) и недостаточная производительность при высоких скоростях (коэффициент сохранения емкости при 10C < 60%). Будущие прорывы в преодолении ограничений по производительности могут быть достигнуты через дизайн наноструктуры (например, подготовка композитов твердого углерода/графена) и оптимизацию электролита (например, использование ионно-жидкостных электролитов). С ростом глобального спроса на хранилища возобновляемой энергии, аноды из твердого углерода на основе кокосовых орехов, вероятно, достигнут крупномасштабного коммерческого применения к 2030 году, снижая стоимость натрий-ионных батарей ниже ￥0,3/Вт·ч.

Команда исследований новых источников энергии SMM

Ван Конг 021-51666838

Руй Ма 021-51595780

Фэн Дишэн 021-51666714

Лю Яньлинь 021-20707875