国科炭美--钠离子电池硬炭负极材料研究及产业化

2023年4月26日，国科炭美受邀参加2023钠电池产业发展技术论坛，高级产品经理戴丽琴发表《钠离子电池硬炭负极材料研究及产业化》演讲。国科炭美团队探索了不同前驱体制备硬炭的工艺，揭示了从原料向无机炭材料转变过程中分子结构的演变机制，探究了材料中碳原子高温重排及晶体演变机制，并进一步建立了材料微观结构与储钠性能间的构效关系。前期研究基础为硬炭材料的规模化生产提供了共性科学依据，可以快速推动硬炭产业化。

第一部分首先介绍储能炭材料。万物都离不开碳元素，以碳原子为起点，通过碳原子的不同杂化，可以构筑形态万千的炭材料，例如石墨烯、富勒烯、金刚石等。

通过选择不同的含碳前驱体，比如矿物质(沥青、煤等)、生物质（椰壳、淀粉等）、高分子（树脂等），采取不同的制备工艺，可以获得碳纤维、特种石墨、储能炭、多孔炭，还有纳米炭等不同类型的炭材料，进而广泛应用于各个领域。

储能炭材料主要包括石墨、软炭、硬炭等，其中硬炭与石墨、软炭的结构截然不同。对于软炭或石墨，有序度相对较高，硬炭则是短程有序、长程无序，这种差异主要由前驱体的性质决定。正是这种结构差异，决定了材料在储能领域可以适用于不同的细分应用场景。

硬炭的市场，一方面它是钠电负极的刚需材料，这是商业化石墨负极无法取代的；另一方面，硬炭也是锂电负极的迭代材料，因为它有很好的快充低温性能，而且储锂容量很高。

钠电是一种新兴储能器件，钠电行业的快速发展，需要正极、负极、隔膜、电芯、辅材等全产业链共同推动。其中，负极材料是限制钠电产业化的关键瓶颈，这是由于硬炭与石墨的结构完全不同，无法参考石墨的制备工艺，所以硬炭其实具有很高的技术壁垒。有机构预测，到2025年，钠电领域的硬炭大概需求量是10万吨左右，对应的市场规模是 63 亿元左右。

第二部分介绍煤化所在硬炭负极方面的基础研究工作。团队于2017年开始硬炭研发，做了大量工作，主要研究内容包括：不同有机原料到无机硬炭的热化学转变过程；孔隙、微晶及表面化学的调控；储钠机制及失效机制分析。以上研究工作为硬炭的快速迭代升级奠定了扎实的理论基础。

前驱体是制备硬炭最关键的技术壁垒。主要分为三大类：第一类是生物质，这是目前大多数商业硬炭使用的前驱体。生物质是一种天然高分子聚合物，结构上有很多活性基团，容易进行调控，缺点是收率低。随着硬炭需求旺盛，如何保证生物质原料供应链可靠稳定，这是一个挑战。第二类是矿物系，例如煤、沥青等。矿物系原料具有天然的稠环芳烃结构，碳收率较高，成本可以大幅降低。但是矿物基硬炭制备具有一定技术难度，在高温条件下容易形成软炭，因此需要对原料进行调控。第三类是树脂类，结构易调控，但成本较高。不同原料因其结构不同，制备硬炭的工艺也有所不同，目前团队正在建立前驱体数据库，能够为硬炭开发过程中原料选择和工艺设计提供技术支撑。

此外，团队研究发现，前驱体的氧含量对硬炭孔结构影响较大，进而影响储钠性能。通过对氧含量调控，生物基硬炭可逆容量可以达到369mAh/g，首效82.5%，首效还有很大提升空间，可及性的闭孔对硬炭结构调控更重要。矿物基硬炭可逆容量可以达到300mAh/g以上，团队目前正在开发更高容量的矿物硬炭。

国科炭美是中国科学院山西煤炭化学研究所的成果转化企业，于2022年12月1日成立，注册地址在浙江省湖州市长兴县国家级经济技术开发区，主营硬炭等碳基储能材料。公司愿景是成为全球领先的先进炭材料企业，使命是为新能源产业提供可信赖的炭材料解决方案。

国科炭美目前正在开发锂电及钠电池用硬炭材料，其中钠电硬炭产品在研3款，第一代产品：GHC-A300，常规型；第二代产品：GHC-C300，低成本型（高压实）；第三代产品：GHC-A330，高容量型。目前产品已送往多家用户进行评测，计划2023年底完成千吨线建设并投产。

原文始发于微信公众号（艾邦钠电网）：国科炭美--钠离子电池硬炭负极材料研究及产业化