西南科技大学——钠离子电池硬炭负极研究进展

4月26日。西南科技大学受邀参加2023钠电池产业发展技术论坛，万琦副教授发表《钠离子电池硬炭负极研究进展》。会上，西南科技大学万琦副教授首先介绍了钠离子电池硬碳负极材料的优势，市场需求，研究现状，接着介绍了硬碳储钠机理，最后介绍了团队在硬碳负极材料方面的工作，从基础研究到规模化制备的研究进展。

一、钠离子电池的优势

钠离子电池负极材料主要以软碳，硬碳、过渡金属化合物和有机化合物为主，由于硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多优势，所以硬碳产业化进展较快。硬碳也存在着一些缺点，低的电极电位和首圈库伦效率及差的循环稳定性和倍率等。

首先从背景说起，钠离子电池更多用在基站、低速车、两轮车、家用储能、商用储能和乘用车上，以前大家不太关注，主要是因为它的能量密度比较低。

从2010年开始，关于钠离子电池的相应专利以及学术论文的发表快速增长，表明学术和产业界关注度逐步提升。锂资源的缺乏导致钠离子电池成为新宠，钠离子电池具有良好的成本优势。去年碳酸锂的价格飞速上涨，使得钠离子电池的优势凸显，长期来看，碳酸锂的价格会呈现波动增长的趋势，因此，钠离子电池会有成本优势。

为什么要研究钠离子电池？一是资源储备丰富，二是集流体正负极都可以用铝箔（铝箔便宜），从而达到降本的效果，三是高低温和安全性好。

二、钠离子电池市场需求

东北证券数据显示，关于钠离子电池下游需求及应用情况，两轮电池动车应用领域，有华宇新能源、小牛电动、爱玛科技、孚能科技等；电动车应用领域，有孚能科技、传艺科技、宁德时代等；储能应用领域，有三峡能源、传艺科技等。川财证券研究所数据显示，A00级小型电动车，2021年爆发，销售90万辆，同比增长超2倍，2022年突破100万辆，达到138.6万辆，同比增长54.13%。A0小型级电动车，2021年销售37.33万辆，同比增长2倍，2022年销量接近100万辆，同比增长150%。2022年，我国两轮电动车产量达到6750万辆，同比增长15%。2022年我国电化学储能装机量为3269.20兆瓦，同比增长91.23%，对比2016年，增长了12倍。中国钠离子电池行业发展白皮书（2023年），预计到2030年钠离子电池的实际出货量将达到347.0GWh。

三、钠离子电池硬碳储钠机理

钠离子电池组成，包括正极、负极、隔膜、电解液等，要把电池性能做好，各组分都要匹配好。正极材料有层状氧化物、聚阴离子、普鲁士蓝等。负极有合金和碳基材料等。为什么会选择硬碳作为负极？一是因为来源广，二是因为热力学上的因素。比如说金属氧化物，会有体积膨胀问题。而石墨由于热力学问题不适合储钠，软碳储钠容量较低，硬炭综合性能好已经成为主流。那么如何区别软碳和硬碳？富氢的前驱体碳化产物一般是软碳，富氧的前驱体碳化产物一般是硬炭。在形貌特征上，软炭与石墨比较类似，软碳层间距大一些，硬炭则比较杂乱。

硬碳储钠原理，有吸附、赝吸附、嵌入反应和原子团柱等，目前还没有统一定论，由于机理不清楚，开发材料就比较盲目。

四、钠离子电池硬碳负极研究现状

从这张图看出，硬碳前驱体有生物质、无烟煤、树脂、石墨、沥青，无烟煤和沥青是收率最高，容量相对来说就低一些，成本低；树脂和生物质容量高，但是收率较低。

根据兴业证券经济与金融研究院整理数据，可乐丽已经实现量产，产品售价高于20万元/吨。佰思格具有2000吨/年生产线，2025年计划扩产至5万吨。圣泉集团布局10万吨生物质硬碳负极项目，出货量已达百公斤级。元力集团推进生物质硬碳业务。贝特瑞目前拥有400吨产能，2023年扩产到1万吨。杉杉股份2024年产能达1000吨。中科海钠软硬碳均有布局，硬碳以酚醛树脂为前驱体，软碳以无烟煤、沥青为前驱体，已有两个千吨级正负极材料产线。多氟多2023年完成2000吨/年负极投产。

经过调研发现，很多厂家是以生物质为原料，现在主流是椰壳，国内还有以竹子、秸秆、核桃壳等为原料，这些生物质前驱体都有各自的优缺点。

化石燃料沥青和煤作为硬碳前驱体，前期的关注度低一些。由于成本低，原料稳定，来源丰富，逐步引起了大家的关注。

总之，生物质基硬碳大家都特别关注，但是门槛高，收率低，压实密度较低，原料不稳定且来源未来可能受制于人。无烟煤基和沥青基硬碳收率高，成本低，压实密度高，容量相对低一些。

谈一下个人观点，煤基和沥青基硬碳可能是未来的一个方向，产品性能可以接受，而且原料稳定且来源丰富，不会受制于人。

不同的领域对硬碳性能不一样，最终哪个前驱体的硬碳能够被认可，需要市场来验证。

五、团队钠离子电池硬碳材料研究

我们团队主要围绕煤基和沥青基碳开展研发和产业化工作，同时进行部分生物质硬碳开发。由于团队在硅负极方面开展了8年的基础研究和产业化工作，硅负极的核心就是碳材料，同时，团队在超级电容器炭材料方面具有技术储备，所以我们对于硬碳的研究和产业化借鉴了硅负极和超级电容器炭材料的很多宝贵经验。目前，团队在煤基和沥青基硬碳方面已经取得了不错的进展，容量已经跟生物质相当，且倍率和循环寿命非常好，但是压实密度比生物质高，我们还在进一步优化性能。

最后谈一下个人感受，最近跟很多大企业聊过，他们反馈的是，现在缺的不是资本，缺的是技术。现在硬碳比较热门，大家都想进入，但是我建议大家还是冷静一下，要考虑清楚，是投产还是布局。因为很多外来资本都进来了，但是他们对新能源行业不了解，很容易盲目投入，出现问题。

六、关于西南科技大学先进能源材料研究团队

西南科技大学先进能源材料研究团队成立于2021年11月，隶属于西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室，由宋英泽特聘教授担任PI，现有博士学历的固定研究人员7人，其中，四川省千人计划入选者3人，四川省海外高层次人才2人，博士及硕士研究生近30名；团队围绕新型储能材料开发及其应用领域中存在的关键科学问题，开展了性能系统优化的关键科学理论与技术方法研究，取得了一系列创新性科技成果；共建成果转化平台2个，在领域内顶级期刊Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Energy Storage Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Small、J. Energy Chem.、Nano Res.等发表高水平研究论文100余篇，累计获得国家自然科学基金等纵向和横向科研经费资助800余万元，获中国产学研促进会“中国产学研合作创新奖（2021）”，西南科技大学青年文明号（2022），与北京大学、四川大学、苏州大学、中国科学技术大学、中国工程物理研究院、中国科学院重庆绿色智能技术研究院等科研机构建立紧密合作关系。

原文始发于微信公众号（艾邦钠电网）：西南科技大学——钠离子电池硬炭负极研究进展