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周向阳教授:负极瓶颈致钠电产业化落后行业痛难点及未来方向解析

日期：2023-07-05 13:14:04 来源：网络整理作者：本站编辑浏览：67 评论：0

在由广西自治区行业主管部门、钦州市人民政府以及上海有色网（SMM）共同举办的2023新能源材料产业发展大会上，中南大学教授周向阳深刻剖析了生物质钠电硬碳负极规模化量产的难点与痛点。他表示，钠离子电池负极材料作为钠离子电池的储钠主体，在充放电过程中，实现钠离子的嵌入/脱出。负极材料的选择对钠离子电池的发展有决定性作用。钠电与锂电几乎同时起步，负极瓶颈导致钠电产业化落后。1991年日本索尼率先将锂离子电池投入市场，锂电池商用时代正式开启，钠电研发停滞。

01

钠电开发背景及市场前景

行业背景

我国锂矿资源稀缺，对外依存度高达80%，面临“卡脖子”风险。锂资源在地壳中丰度低(~0.0065%)，且分布不均匀，全球70%锂资源分布在南美，中国仅有6%，且我国锂资源多分布在高海拔地区，开发受环境、成本、技术等因素制约，目前我国80%的锂资源依赖进口。

锂矿紧缺问题加剧。随着便携电子设备及新能源电动汽车的飞速发展，锂离子电池生产制造达到空前规模，各锂电池生产商不断扩大产能，导致锂资源大量消耗、价格上涨，严重影响到了动力电池及储能电池终端价格及渗透速度。

钠离子电池蓄势待发——钠离子电池成本优势

钠离子电池：成本驱动，部分性能占优

相比于锂离子电池，钠离子电池正极材料成本低50%以上，集流体成本低60%以上，电池成本低30%以上。此外，钠离子电池还拥有安全性能优异、高低温性能佳以及高低温性能佳等优点。

国家政策加持——钠离子电池发展的机遇

为推动钠离子电池商业化，国家发布多项政策。在政策支持下，整个行业进入快速发展期，钠离子电池量产速度进一步加快。

钠离子电池的应用领域

储能、船舶、电动车需求加码，钠电应用场景广阔

两轮电动车领域，钠离子电池成本优势快速替换铅酸电池

新能源配储是未来趋势，钠电池特性与储能场景需求高度贴合

在新能源汽车方面，钠电池有望在低速乘用车、物流车、公交等细分领域实现重大突破。

碳酸锂价格巨大波动下的钠电是否还有前途？

碳酸锂价格下跌，弱化了钠电的价格优势，还有必要研究钠电吗？

钠电在在-20℃到90℃的温度区间均可正常工作，耐高低温性能优良；另外，还具有可快充快放特性，因此，替换铅酸并取代部分锂电市场是完全可能的；

钠电生产原料更低碳环保，也决定了钠电的未来具有一定发展前景。正极生产的碳酸钠价格低廉、且获取容易，负极生产能耗远低于锂电的人造石墨负极。

未来的局面必将是钠电与锂电并存！成本足够低依旧是关键！

02

钠

电负极研究现状与关键问题

钠离子电池负极材料作为钠离子电池的储钠主体，在充放电过程中，实现钠离子的嵌入/脱出。负极材料的选择对钠离子电池的发展有决定性作用。

钠电与锂电几乎同时起步，负极瓶颈导致钠电产业化落后。1991年日本索尼率先将锂离子电池投入市场，锂电池商用时代正式开启，钠电研发停滞。

钠电负极材料分类：

(1) 碳基负极材料

石墨储钠容量低，无定形碳最有可能率先实现产业化。

(2) 合金类负极材料

理论容量高、储钠电位低，但是嵌钠后体积膨胀严重，循环性能差。

(3) 金属氧化物及硫化物基负极材料（转化型）

理论容量高，但导电性差，易团聚、转化反应不可逆。

(4) 钛基负极材料（嵌入型）

体积变化小，但是容量低。

(5) 有机类负极材料

化学组成丰富、成本低，但导电性差且易溶解于电解液。

其中碳基材料由于具有出色的导电性，同时制备方法灵活、成本低廉、环境友好等优点，成为钠离子电池负极材料的优选。其中，硬碳和软碳材料被认为是最具有潜力的钠离子电池负极材料。

硬碳具有高的可逆比容量、优异的循环性能和低的储钠电位，是目前钠离子电池商品化应用时负极材料的最佳选择，有望率先产业化。

硬碳材料开发关键问题

硬碳材料开发关键问题主要有以下三点，分别是探明储钠机理、提升性能以及降低成本等三方面。具体如下：

03

硬碳量产中的难点与痛点及其对策

生物质硬碳负极有硬碳孔结构复杂、缺陷明显的特点，如何实现性能提升是关键。

规模化量产中，需要控制成本，而要完成一体化、规模化布局，需要做到以下四点：

(1) 开发廉价生物质原料；

(2) 开发能源再利用技术；

(3) 开发过程降本新技术；

(4) 耦合其他材料制备，实现短流程。

此外，在纯化脱灰深度与废液处置成本方面，灰分含量高，包裹现象明显；废水量大，废水排放要求日趋严苛。

硬碳负极材料性能提升策略

硬碳负极材料比容量高，但是存在首次库伦效率低、长循环稳定性不高和压实密度低等问题。

此外，硬碳材料物理参数（如粒径、振实密度、质量负载等）对电化学性能的影响也需要有待进一步探讨，以协同提升材料应用于钠离子电池体系时的使用性能。

04

硬碳负极未来研究方向

(1) 容量型硬碳负极开发

开发策略：通过对碳源前驱体进行微观结构精准调控，同时优化层间距、孔结构，提升可逆嵌脱钠性能。

性能特点：比容量330~350 mAh/g，首效88~90%。

(2) 极致低成本硬碳负极开发

开发策略：极致低成本生物质原料+同质化预处理+短流程。

性能特点：比容量~300 mAh/g，首效87~90%。

(3) 快充型软/硬碳复合负极开发

开发策略：通过构筑异质界面、增加表面缺陷提高斜坡段容量比例，从根本上提升材料倍率性能。斜坡段容量主要由钠离子吸附于材料表面缺陷位置及石墨微晶边缘提供，此部分吸/脱钠动力学较层间过程更佳。

性能特点：可实现快充使用，斜坡段容量占比>40%，比容量300~310 mAh/g，首效84~87%。

来源：SMM

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