【Phân tích SMM】Làm thế nào để công nghiệp hóa pin natri với cực âm cacbon cứng dựa trên vỏ dừa?

Tin SMM ngày 24 tháng 4:

Theo dữ liệu mới nhất từ Tổng cục Hải quan, lượng nhập khẩu than vỏ hạt trong tháng 3 năm 2025 là 9.871,1 tấn, tăng 11% so với tháng trước nhưng giảm 40,5% so với cùng kỳ năm trước. Giá nhập khẩu trung bình của than vỏ hạt trong tháng 3 là 492,39 USD/tấn.

Than vỏ hạt nhập khẩu có nhiều ứng dụng trong nước, bao gồm hấp thụ và làm sạch công nghiệp, lọc nước, cải tạo đất, và sử dụng làm anôt cacbon cứng trong các tế bào pin ion natri. Vỏ dừa, như phế phẩm nông nghiệp, với cấu trúc xốp tự nhiên và hàm lượng cacbon cao (khoảng 50%), cung cấp nguyên liệu lý tưởng để sản xuất cacbon cứng. So với nguyên liệu truyền thống như than đá, cacbon cứng từ vỏ dừa mang lại nhiều ưu điểm như chi phí thấp, bền vững (sản lượng vỏ dừa toàn cầu hàng năm vượt quá hai mươi triệu tấn) và thân thiện với môi trường. Vậy than vỏ dừa chuyển đổi thành anôt cacbon cứng như thế nào?

Bước 1: Chỉnh sửa Than Vỏ Dừa

Giai đoạn Tiền xử lý

Sau khi nghiền và sàng vỏ dừa thành kích thước 20-40 mesh, phương pháp "hai bước axit-bazo" được sử dụng để loại bỏ tạp chất: đầu tiên, ngâm trong dung dịch NaOH 5% ở 80°C trong 12 giờ để loại bỏ tro, sau đó rửa bằng axit HCl 3% để loại bỏ ion kim loại, và cuối cùng thu được bột vỏ dừa có độ ẩm < 2% thông qua công nghệ sấy nhanh. Quá trình này giảm hàm lượng tro từ 3,5% ban đầu xuống dưới 0,3%.

Quá trình Kích hoạt và Tạo Lỗ

Phương pháp kích hoạt KOH được sử dụng để xây dựng cấu trúc lỗ phân cấp: bột vỏ dừa được trộn với KOH theo tỷ lệ 1:3, đun nóng lên 800°C với tốc độ 5°C/phút trong khí nitơ, và giữ trong 2 giờ. Trong quá trình này, KOH phản ứng với cacbon (6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃), và khí CO₂ sinh ra khắc vào khung cacbon, tạo thành cấu trúc lỗ mesopore với diện tích bề mặt cụ thể 1.200-1.500 m²/g.

Carbon hóa ở Nhiệt độ Cao và ổn định

Sản phẩm đã kích hoạt trải qua carbon hóa thứ cấp trong khí trơ ở 1.200-1.400°C, hình thành cấu trúc cacbon cứng ổn định bằng cách kiểm soát tốc độ gia nhiệt (10°C/phút) và thời gian giữ (4 giờ). Ở giai đoạn này, độ graphit hóa (La) tăng từ 2,1 nm ban đầu lên 3,5 nm, và khoảng cách giữa lớp (d002) ổn định ở 0,37-0,39 nm, đáp ứng yêu cầu cho sự chèn ion natri.

Tối ưu Hóa Công Trình Bề Mặt

Công nghệ phủ bifunctional carboxyl-carbonyl được sử dụng để cải thiện hiệu suất giao diện: bột cacbon cứng được phân tán siêu âm với axit citric (tỷ lệ khối lượng 1:0,1) trong dung dịch etanol trong 2 giờ, sấy chân không (120°C, 12 giờ), và sau đó xử lý nhiệt trong khí argon ở 400°C trong 2 giờ. Phân tích XPS cho thấy lớp phủ giới thiệu 0,8 at% liên kết C=O, giảm trở kháng màng SEI từ 320 Ω xuống 120 Ω.

Bước 2: Chuẩn bị Điện cực và Kiểm tra Hiệu suất

Cacbon cứng đã chỉnh sửa (80%), Super P (10%) và PVDF (10%) được khuấy thành hỗn hợp trong NMP, phủ lên đồng phôi (độ dày 1,5 mg/cm²), và sấy chân không ở 80°C trong 12 giờ để tạo điện cực. Trong thử nghiệm nửa tế bào, anôt cacbon cứng này thể hiện dung lượng khả nghịch 280 mAh/g, hiệu suất Coulomb ban đầu tăng lên 85%, và tỷ lệ giữ dung lượng 92% sau 200 chu kỳ. Khi ghép với cathode phosphate sắt natri, mật độ năng lượng tế bào đầy đủ đạt 105 Wh/kg, với tuổi thọ chu kỳ vượt quá 1.500 chu kỳ.

Bước 3: Những Đột phá Công nghệ Chính cho Công nghiệp hóa

Thiết bị Sản xuất Liên tục: Lò carbon hóa hỗ trợ vi sóng được phát triển, giảm chu kỳ sản xuất từ 24 giờ trong quy trình truyền thống xuống còn 6 giờ, với mức tiêu thụ năng lượng giảm 40%.

Hệ thống Chỉnh sửa Thông minh: Dựa trên thuật toán học máy, kiểm soát chính xác tỷ lệ chất kích hoạt (KOH/C) và nhiệt độ carbon hóa, cải thiện độ ổn định lô sản phẩm lên 98%.

Dung dịch Điện giải Chi phí Thấp: Hệ thống hỗn hợp ethylene carbonate (EC)/dimethyl carbonate (DMC)/ethyl methyl carbonate (EMC)=3:3:4 được sử dụng, kết hợp với muối NaClO4 1,2 M, giảm chi phí 60% so với muối lithium truyền thống.

Hiện tại, cacbon cứng từ vỏ dừa vẫn phải đối mặt với những thách thức như mật độ đóng gói thấp (0,6-0,8 g/cm³) và hiệu suất ở tốc độ cao không đủ (tỷ lệ giữ dung lượng 10C < 60%). Các đột phá trong tương lai về rào cản hiệu suất có thể đạt được thông qua thiết kế nano (ví dụ, chuẩn bị hợp chất cacbon cứng/graphene) và tối ưu hóa dung dịch điện giải (ví dụ, sử dụng dung dịch điện giải chất lỏng ion). Với nhu cầu toàn cầu tăng vọt về lưu trữ năng lượng tái tạo, anôt cacbon cứng từ vỏ dừa dự kiến sẽ đạt ứng dụng thương mại lớn vào năm 2030, đưa chi phí pin ion natri xuống dưới ￥0,3/Wh.

Đội Nghiên cứu Năng lượng Mới SMM

Wang Cong 021-51666838

Ma Rui 021-51595780

Feng Disheng 021-51666714

Lyu Yanlin 021-20707875