高容量钠电行业：硬炭负极材料的产业化应用之路
高容量钠电行业：硬炭负极材料的产业化应用之路
钠离子电池凭借其国内储量丰富、分布广泛，低成本、高安全性能等优势迅速脱颖而出。2023年以来，钠离子电池资本鱼贯而入，融资频次创历史新高。
钠离子电池行业快速发展
2023年以来，钠离子电池行业迎来爆发式增长。据统计，2023年共有30家钠电企业完成融资，其中乐普钠电、启钠、钠创、翔鹰、立方新能源、超钠、为方能源、星空钠电等公司的融资额超亿元。
不仅如此，2023年超威集团、中科海钠、松宝新能、台铃集团、天能股份、鹏辉能源、海四达、众钠能源、希倍动力、先钠科技、力神电池等企业纷纷推出新型钠离子电池，产品种类丰富，涵盖方形、软包、圆柱等类型。
2024年，钠电产业化持续“升温”。1月，国家知识产权局公布多项宁德时代钠离子电池专利；1月4日，比亚迪（徐州）总投资100亿元的钠离子电池项目正式开工；2月，钠科新材和天钠科技分别完成了pre-A轮融资和数千万元融资，融资均用于产线建设、产能扩张。
硬碳材料：钠离子电池负极材料的首选
硬碳材料作为钠离子电池负极材料的首选，在钠离子产业化进程中，有哪些问题值得关注？
硬碳作为一种非晶态碳材料，其微观结构具有无序分布的类石墨层片、丰富的边缘和表面缺陷以及独特的纳米孔洞结构。
图源：百度
硬碳材料无定形和微晶混合的结构，与石墨化碳（如天然石墨）不同，后者拥有更有序的层状结构，可为钠离子提供更多的嵌入/脱嵌位点。再者，硬碳作为负极材料，表现出良好的循环稳定性和比容量。尽管能量转化效率相比石墨化碳较低，但较高的比容量使其在长期循环中表现出色。
在同等体积下硬碳负极可以储存更多的电荷，极大程度上提高电池的能量密度和续航能力，同时也是钠离子电池的首选材料，可广泛应用在新能源汽车、储能领域。相较于其他钠电负极材料，硬碳展现出独特的优势：结构多样性、成本效益高、良好的导电性、高储钠能力、钠嵌入时的低体积膨胀、环保性和较低的氧化还原电位等。
产业链上游原料供应
硬碳产业链上游主要为原材料，包括生物质基、树脂基和化石燃料基前驱体。具体来说，生物质前驱体涵盖椰壳、秸秆、毛竹、核桃壳、淀粉等多种来源。树脂类前驱体通常选用酚醛树脂、环氧树脂等为原料。而以石油为基础的前驱体则主要使用沥青等化石燃料。
这些原料的供应情况直接影响硬碳的成本和产量。所以，硬碳原材料市场的价格波动、供应链的稳定性和可持续性是硬碳负极产业化发展的重要因素。
不同原料来源的硬碳负极材料制备
图源：中金点睛
研究进展：优化材料性能
鉴于硬碳材料结构上的复杂性和性能多样性，关于其储钠的具体机制仍存在争议，并未形成统一理论。当前硬碳负极的研究进展主要集中于材料性能的优化，通过改变硬炭的微观结构，控制孔隙大小和分布，提高其储钠能力。
研究者们主要的研究方向在于提高硬炭的比容量、循环稳定性和充放电效率。例如近期中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心与荷兰代尔夫特理工大学合作，在基于硬碳负极的安时级钠离子电池快充机制研究中取得进展。
硬碳工艺多路并行
硬碳通过热解各种有机前驱体（如糖、木质素、生物质等）在惰性气氛中制备，在制备过程中，温度、时间等因素将会对最终产物的性能产生极大的影响。
市面上硬碳前驱体技术路线多样，不同前驱体得到的硬碳产品具有显著的性能差异，且原料来源不同，成本构成也有显著差别。目前常用的硬碳前驱体主要是生物基高分子材料，如毛竹、椰壳、淀粉、核桃壳等，同时也可以使用无烟煤、沥青、酚醛树脂等化工原料。
树脂基制备成本昂贵，工业化难度大，石油基制备性能一般，还存在环境污染的问题。相较之下，生物质基物料来源广泛、成本适中、性能尚可，是当下前躯体原材料的主流选择，更是未来硬碳前驱体的主要方向。
日本可乐丽公司选用生物质材料椰壳作为其硬碳前驱体，国内传统锂电负极企业贝特瑞、杉杉股份、中科星城和翔丰华等厂家的硬碳负极工艺涵盖生物基材料、树脂类原料和沥青基原料，实现体系化的专利布局。佰思格使用葡萄糖、淀粉、木质素、椰壳等生物质材料制备硬碳。元力股份利用毛竹、椰子壳和稻壳等作为原料。圣泉集团则采用秸秆。
图源：碳材料大会