【SMM วิเคราะห์】วิธีการอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ไอออนโซเดียมด้วยอนูคาร์บอนแข็งจากเปลือกมะพร้าว

SMM ข่าววันที่ 24 เมษายน:

ตามข้อมูลล่าสุดจากสำนักงานศุลกากรทั่วไป ปริมาณการนำเข้าถ่านเปลือกผลไม้ในเดือนมีนาคม ปี 2025 คือ 9,871.1 ตัน เพิ่มขึ้น 11% เมื่อเทียบรายเดือน แต่ลดลง 40.5% เมื่อเทียบรายปี ราคาเฉลี่ยของการนำเข้าถ่านเปลือกผลไม้ในเดือนมีนาคมอยู่ที่ 492.39 ดอลลาร์/ตัน

ถ่านเปลือกผลไม้นำเข้ามามีการใช้งานอย่างกว้างขวางในประเทศ รวมถึงการดูดซับและทำให้บริสุทธิ์ในอุตสาหกรรม การทำให้น้ำสะอาด การปรับปรุงดิน และการใช้เป็นอนุภัณฑ์คาร์บอนแข็งในเซลล์แบตเตอรี่ไอออนโซเดียม เปลือกมะพร้าว ซึ่งเป็นของเสียทางการเกษตร ด้วยโครงสร้างรูพรุนธรรมชาติและปริมาณคาร์บอนสูง (ประมาณ 50%) มอบสารตั้งต้นที่เหมาะสมสำหรับการผลิตคาร์บอนแข็ง เมื่อเทียบกับวัตถุดิบแบบดั้งเดิมเช่น โคเกน คาร์บอนแข็งจากเปลือกมะพร้าวมีข้อได้เปรียบอย่างมาก เช่น ต้นทุนต่ำ ความยั่งยืน (การผลิตเปลือกมะพร้าวทั่วโลกเกิน 20 ล้านตันต่อปี) และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม แล้วถ่านเปลือกมะพร้าวจะเปลี่ยนเป็นอนุภัณฑ์คาร์บอนแข็งได้อย่างไร?

ขั้นตอนที่ 1: การปรับปรุงถ่านเปลือกมะพร้าว

ระยะเตรียม

หลังจากการบดและคัดขนาดเปลือกมะพร้าวให้ได้ขนาด 20-40 mesh ใช้วิธี "สองขั้นตอนกรด-เบส" เพื่อกำจัดสิ่งเจือปน: แช่ในสารละลาย NaOH 5% ที่ 80°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมงเพื่อกำจัดเถ้า แล้วล้างด้วยสารละลาย HCl 3% เพื่อกำจัดไอออนโลหะ แล้วได้ผงเปลือกมะพร้าวที่มีความชื้น < 2% ผ่านเทคโนโลยีการอบแห้งด้วยแสงแฟลช กระบวนการนี้ลดปริมาณเถ้าจาก 3.5% ลงเหลือต่ำกว่า 0.3%

กระบวนการกระตุ้นและการสร้างรูพรุน

ใช้วิธี KOH ในการสร้างโครงสร้างรูพรุนหลายระดับ: ผสมผงเปลือกมะพร้าวกับ KOH ในอัตราส่วน 1:3 แล้วอุ่นขึ้นถึง 800°C ด้วยอัตรา 5°C/นาที ในบรรยากาศไนโตรเจน และคงที่เป็นเวลา 2 ชั่วโมง ระหว่างกระบวนการนี้ KOH จะทำปฏิกิริยากับคาร์บอน (6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃) และแก๊ส CO₂ ที่เกิดขึ้นจะกัดกร่อนโครงสร้างคาร์บอน สร้างโครงสร้างรูพรุนขนาดกลางที่มีพื้นที่ผิวเฉพาะ 1,200-1,500 m²/g

การคาร์บอนไรเซชันและทำให้เสถียรที่อุณหภูมิสูง

ผลิตภัณฑ์ที่ถูกกระตุ้นจะผ่านการคาร์บอนไรเซชันครั้งที่สองในบรรยากาศเฉื่อยที่ 1,200-1,400°C โดยควบคุมอัตราการอุ่นขึ้น (10°C/นาที) และเวลาคงที่ (4 ชั่วโมง) ในขั้นตอนนี้ ระดับการกราไฟต์ (La) เพิ่มขึ้นจาก 2.1 nm ไปเป็น 3.5 nm และระยะระหว่างชั้น (d002) คงที่ที่ 0.37-0.39 nm ตรงตามความต้องการในการแทรกไอออนโซเดียม

การปรับปรุงประสิทธิภาพผิวด้วยวิศวกรรม

ใช้เทคโนโลยีการเคลือบฟังก์ชันคู่คาร์บอกซิล-คาร์บอนิล เพื่อปรับปรุงสมรรถนะของอินเทอร์เฟซ: ผงคาร์บอนแข็งถูกกระจายด้วยคลื่นเสียงในสารละลายเอทานอลกับกรดซิตริก (อัตราส่วนมวล 1:0.1) เป็นเวลา 2 ชั่วโมง อบแห้งในสุญญากาศ (120°C, 12 ชั่วโมง) แล้วทำการอบในบรรยากาศอาร์กอนที่ 400°C เป็นเวลา 2 ชั่วโมง การวิเคราะห์ XPS แสดงว่าชั้นเคลือบแนะนำ C=O บอนด์ 0.8 at% ลดความต้านทาน SEI ฟิล์มจาก 320 Ω ลงเหลือ 120 Ω

ขั้นตอนที่ 2: การเตรียมอิเล็กโทรดและการทดสอบสมรรถนะ

คาร์บอนแข็งที่ถูกปรับปรุง (80%), Super P (10%), และ PVDF (10%) ถูกคนให้เป็นเนื้อแป้งใน NMP ทาบนฟอยล์ทองแดง (ความหนาแน่นพื้นที่ 1.5 mg/cm²) แล้วอบแห้งในสุญญากาศที่ 80°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมงเพื่อสร้างอิเล็กโทรด ในการทดสอบเซลล์ครึ่ง อนุภัณฑ์คาร์บอนแข็งนี้แสดงสมรรถนะความจุที่สามารถกลับคืนได้ 280 mAh/g ประสิทธิภาพคูลอมบ์เริ่มต้นเพิ่มขึ้นเป็น 85% และอัตราการรักษาความจุ 92% หลังจาก 200 รอบ เมื่อจับคู่กับแคโทดฟอสเฟตโซเดียม-เหล็ก ความหนาแน่นพลังงานของเซลล์เต็ม 105 Wh/kg วงจรชีวิตเกิน 1,500 รอบ

ขั้นตอนที่ 3: การพัฒนาเทคโนโลยีสำคัญสำหรับการอุตสาหกรรม

อุปกรณ์การผลิตต่อเนื่อง: พัฒนาเตาคาร์บอนไรเซชันที่ใช้ไมโครเวฟ ลดวงจรการผลิตจาก 24 ชั่วโมงในกระบวนการแบบดั้งเดิมเหลือ 6 ชั่วโมง ลดการใช้พลังงาน 40%

ระบบการปรับปรุงอัจฉริยะ: บนพื้นฐานของอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง ควบคุมอัตราส่วนสารกระตุ้น (KOH/C) และอุณหภูมิการคาร์บอนไรเซชันอย่างแม่นยำ ปรับปรุงความเสถียรของผลิตภัณฑ์เป็น 98%

อิเล็กโทรไลต์ต้นทุนต่ำ: ใช้ระบบผสมของคาร์บอเนตเอทิลีน (EC)/ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC)/เอทิลเมทิลคาร์บอเนต (EMC)=3:3:4 ร่วมกับ NaClO4 1.2 M ลดต้นทุนลง 60% เมื่อเทียบกับเกลือลิเธียมแบบดั้งเดิม

ปัจจุบัน คาร์บอนแข็งจากเปลือกมะพร้าวยังเผชิญกับความท้าทายเช่น ความหนาแน่นต่ำ (0.6-0.8 g/cm³) และสมรรถนะที่อัตราสูงไม่เพียงพอ (อัตราการรักษาความจุ 10C < 60%) อนาคตอาจสามารถทำลายข้อจำกัดด้านสมรรถนะผ่านการออกแบบโครงสร้างนาโน (เช่น การเตรียมคอมโพสิตคาร์บอนแข็ง/กราฟีน) และการปรับปรุงอิเล็กโทรไลต์ (เช่น การใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวไอออน) ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นทั่วโลกสำหรับการเก็บพลังงานทดแทน อนุภัณฑ์คาร์บอนแข็งจากเปลือกมะพร้าวน่าจะสามารถนำไปใช้เชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวางภายในปี 2030 ขับเคลื่อนต้นทุนของแบตเตอรี่ไอออนโซเดียมต่ำกว่า ￥0.3/Wh

ทีมนักวิจัยพลังงานใหม่ SMM

หวัง ค่ง 021-51666838

หม่า รุ่ย 021-51595780

เฟิง ดิชิง 021-51666714

หลู่ ยานลิน 021-20707875