Peningkatan teknologi baterai: anoda karbon keras untuk baterai natrium ion
Grafit terutama memiliki struktur heksagonal dengan susunan ABAB dan struktur belah ketupat dengan susunan ABCABC. Dua fase grafit dapat saling bertautan, dan proses seperti perlakuan mekanis dapat menyebabkan peningkatan proporsi komposisi fase dalam grafit, dan perlakuan anil pada suhu tinggi akan menghasilkan fase yang secara termodinamika lebih stabil.
Daftar Isi
Apa itu karbon amorf
Perbedaan antara sistem grafit dan karbon amorf
Karbon amorf terutama meliputi anoda karbon keras dan karbon lunak, yang biasanya terdiri dari struktur mikro grafit yang terdistribusi secara acak, lembaran nano graphene yang dipilin dan pori-pori di antara struktur mikro yang disebutkan di atas, dan tidak memiliki struktur penumpukan yang teratur.
Grafit telah menjadi yang paling umum anoda baterai lithium ion bahan untuk baterai lithium-ion komersial karena struktur susun jarak jauh dengan konduktivitas listrik yang baik, kapasitas spesifik yang tinggi, dan kinerja bersepeda yang baik, dan sumber bahan bakunya terutama aspal, kokas minyak bumi, dan grafit alami, dengan jarak lapisan sekitar 0,335 hingga 0,34 nm.
Bahan anoda karbon keras adalah karbon non-grafit, yang sulit untuk digrafit bahkan ketika dipanaskan hingga 2800 ° C. Strukturnya sangat tidak teratur dan teredoksifikasi. Strukturnya sangat tidak teratur dan memiliki potensi redoks yang rendah, yang dianggap sebagai bahan anoda yang lebih ideal untuk baterai ion natrium.
Pemilihan karbon
Meskipun grafit memiliki kapasitas penyimpanan lithium yang baik dan memainkan peran penting di bidang baterai lithium ion, namun tidak dapat menjadi bahan anoda yang cocok untuk baterai ion natrium karena jari-jari ion natrium yang besar, yang menghalangi penyematan dan pelepasan ion natrium selama pengisian dan pengosongan, dan orang-orang telah mencoba berbagai metode untuk meningkatkan kinerja penyimpanan natrium grafit, tetapi sejauh ini hasilnya belum memuaskan.
Metode pertama adalah memperluas jarak lapisan grafit untuk meningkatkan performa penyimpanan natrium. Ditemukan bahwa kapasitas spesifik grafit yang diperluas dengan jarak lapisan 0,43 nm adalah 184 mAh / g setelah 2000 siklus pada multiplisitas 5C, dan tingkat retensi kapasitas adalah 73,92%, tetapi struktur yang tertata dalam grafit yang diperluas dihancurkan dari spektrum difraksi sinar-X, yang pada dasarnya adalah amorfisasi grafit yang diperluas. Hal ini memungkinkan lebih banyak Na+ untuk secara reversibel dihilangkan dalam grafit, tetapi grafit oksida tereduksi ini masih mengalami ICE yang rendah, sedangkan mekanisme penyimpanan Na+ dalam grafit oksida tereduksi masih belum jelas.
Karbon amorf juga digunakan dalam praktiknya karena jarak antar lapisannya yang lebih besar dan struktur mikrokristalin yang tidak teratur, yang lebih menguntungkan untuk penyematan dan pelepasan ion natrium. Dalam kasus karbon lunak, karbon ini memiliki struktur yang mirip dengan grafit tetapi kurang teratur, yang lebih kondusif untuk interkalasi natrium daripada grafit dan dapat meningkatkan kapasitas spesifik pada kerapatan arus yang rendah. Luas permukaan spesifik yang lebih rendah dan cacat permukaan karbon lunak dapat mengurangi konsumsi elektrolit ester dan membantu meningkatkan ICE.
Dari sudut pandang komersialisasi, prekursor karbon lunak terbuat dari batubara antrasit, yang lebih murah, dengan harga lebih murah, hasil karbonisasi tinggi, keamanan yang baik dan kinerja elektrokimia tertentu, dan memiliki potensi komersialisasi yang baik. Dari skenario aplikasi, kapasitas yang tidak dimodifikasi adalah 200-220mAh / g, dan area pengisian / pengosongan sebagian besar adalah kemiringan, yang cocok untuk skenario daya tinggi. Sejauh menyangkut bahan anoda karbon keras, ia memiliki struktur yang lebih kompleks pada tingkat molekuler dibandingkan dengan struktur berlapis grafit jarak jauh yang teratur.
Struktur unik dari bahan anoda karbon keras memungkinkan berbagai jenis tempat penyimpanan natrium yang dapat dibalik, termasuk: penyimpanan natrium dengan reaksi penyematan, penyimpanan natrium dengan membentuk kelompok atom dalam pori-pori tertutup, penyimpanan natrium dengan adsorpsi kapasitif pada permukaan yang bersentuhan dengan elektrolit, dan penyimpanan natrium dengan kapasitansi semu pada permukaan internal pada tempat yang berhubungan dengan cacat.
Area pengisian dan pemakaian material memiliki bagian kemiringan dan bagian platform, dan kapasitas spesifik umum dapat mencapai 300-350mAh / g, dan setelah modifikasi yang dioptimalkan, dapat mencapai 400mAh / g, yang akan melebihi kapasitas spesifik teoritis grafit litium (372mAh / g).
Singkatnya, grafit adalah bahan anoda yang penting untuk baterai Li-ion, tetapi aplikasinya dalam baterai natrium ion sangat dibatasi oleh jarak lapisan yang kecil dan ketidakmampuan untuk membentuk senyawa interkalasi yang stabil secara termal dengan grafit, meskipun masalahnya dapat diperbaiki dengan memperluas jarak lapisan dengan grafit yang diperluas dan menyesuaikan elektrolit, tetapi masih ada masalah seperti ICE yang rendah dan stabilitas elektrolit yang buruk.
Sebaliknya, karbon lunak tingkat rendah lebih kondusif untuk penyimpanan natrium dan memiliki biaya prekursor yang lebih murah. Struktur tingkat molekuler yang kompleks dari bahan anoda karbon keras menciptakan banyak jenis situs aktif penyimpanan natrium, dan setelah modifikasi yang dioptimalkan, dapat melebihi kapasitas spesifik teoritis grafit litium, yang memiliki potensi komersialisasi yang kuat. Oleh karena itu, relatif lebih tepat untuk memilih karbon amorf, terutama bahan anoda karbon keras, untuk bahan anoda karbon ion natrium.
Pesaing potensial dari bahan anoda karbon keras
Bahan anoda berbasis silikon
Keuntungan dari bahan anoda berbasis silikon termasuk kapasitas teoritis yang relatif tinggi; kelimpahan alami (silikon adalah elemen yang melimpah di bumi); dan potensi elektrokimia yang sesuai - lebih kecil kemungkinannya untuk membentuk "dendrit litium" daripada bahan anoda karbon keras. ". Tentu saja, kerugiannya juga sama jelasnya: perubahan volume yang tak terelakkan dalam bahan silikon dapat menyebabkan pecahnya struktur atau penghancuran elektroda berbasis silikon, yang pada gilirannya menyebabkan pertumbuhan film SEI yang tidak terkendali; dan konduktivitasnya yang buruk.
Bahan anoda litium titanat
Bahan anoda lithium titanate juga merupakan bahan katoda baterai masa depan yang mungkin, kelebihannya meliputi: metode persiapan sederhana, platform pengisian dan pengosongan yang tinggi, siklus yang stabil, efisiensi Coulomb yang tinggi; bahan "nol regangan", volume kristal dalam siklus reaksi untuk mempertahankan kisaran yang stabil (secara efektif memecahkan fenomena pelepasan bahan elektroda karena perubahan volume); tegangan kerja yang stabil Ion lithium tidak akan mengendapkan dendrit litium pada elektroda; platform tegangan elektroda yang stabil.
Kerugiannya juga ada: konduktivitas rendah dan koefisien difusi ion litium, polarisasi elektroda yang parah di bawah kerapatan arus yang tinggi membuat kapasitas elektroda menurun secara tajam, pembentukan film SEI membuat elektroda dan elektrolit bersentuhan dalam waktu yang lama sehingga menghasilkan reaksi yang merugikan. Berikut ini adalah 5 teratas produsen baterai lithium titanateJika Anda tertarik, silakan klik untuk melihat.
Bahan anoda berbasis timah
Bahan anoda berbasis timah kini menarik banyak perhatian dari para akademisi dan pengusaha. Keuntungannya adalah: sumber daya yang melimpah; kapasitas teoritis yang tinggi; potensi lithium tertanam yang lebih tinggi daripada potensi pengendapan lithium, menghindari pengendapan lithium pada pengganda yang tinggi; dan kepadatan susun yang tinggi. Kerugiannya adalah ekspansi volume Sn selama bersepeda mencapai 259% (baterai Li-ion) dan 423% (baterai natrium-ion), yang secara serius memengaruhi kinerja bersepeda.
Apa yang menentukan sifat-sifat karbon amorf
Bahan anoda karbon keras vs. karbon lunak
Bahan karbon amorf dapat diklasifikasikan menjadi bahan anoda karbon keras dan karbon lunak menurut kemudahan grafitisasi. Karbon lunak biasanya merupakan bahan karbon yang dapat digrafitisasi setelah perlakuan suhu tinggi (di atas 2800 ° C), dan struktur yang tidak teratur dapat dengan mudah dihilangkan.
Bahan anoda karbon keras biasanya merupakan bahan karbon yang tidak dapat digrafitisasi sepenuhnya bahkan setelah perlakuan suhu tinggi (di atas 2800 ° C), dan struktur yang tidak teratur sulit dihilangkan pada suhu tinggi. Pada suhu rendah dan menengah (1000-1600 ° C), tidak ada batas yang jelas antara karbon lunak dan bahan anoda karbon keras, dan mereka dapat disebut karbon amorf.
Meskipun karbon lunak memiliki nilai kapasitas yang tinggi, laju peluruhannya yang cepat menyebabkan hambatan pada aplikasi praktis; bahan anoda karbon keras lebih mudah disiapkan, memiliki siklus hidup yang lebih tinggi, dan telah mendapatkan beberapa aplikasi praktis. Dibandingkan dengan karbon lunak, material anoda karbon keras memiliki struktur yang lebih tidak teratur, konsentrasi cacat yang lebih tinggi, kandungan heteroatom yang lebih tinggi dan jarak yang lebih besar antara lapisan grafit, dan struktur pori yang lebih tertutup.
Hal ini memfasilitasi lebih banyak tempat penyimpanan dan jalur difusi untuk ion Na+. Namun, keekonomisan bahan anoda karbon keras sedikit lebih rendah dibandingkan dengan karbon lunak. Di antara baterai natrium ion, bahan anoda karbon keras lebih dominan dalam aplikasi saat ini dengan kelebihannya. Selain itu, biaya rendah, keberlanjutan, dan kesederhanaan persiapan memberikan lebih banyak kemungkinan untuk komersialisasi bahan anoda karbon keras.
Prekursor
Bahan anoda karbon lunak dan karbon keras sangat bergantung pada sifat prekursor. Selama proses karbonisasi, kemampuan prekursor untuk muncul dalam keadaan menyatu pada rentang suhu yang luas diperlukan agar karbon akhir (kokas) dapat digrafitisasi. Kondisi fusi ini memungkinkan penataan ulang lapisan karbon untuk membentuk struktur lamelar berurutan jarak jauh di mana gas dari dekomposisi termal dapat dengan mudah keluar, sementara kandungan karbon dan densitas residu meningkat.
Karbon amorf biasanya diproduksi dengan pirolisis prekursor organik pada suhu 500-1500°C. Produk akhir setelah pirolisis adalah karbon keras. Apakah produk akhir pirolisis adalah bahan anoda karbon keras atau karbon lunak tergantung terutama pada sifat prekursor.
Prekursor terutama diklasifikasikan ke dalam bahan karbon berbasis biomassa, berbasis polimer, berbasis resin, dan berbasis batu bara. Prekursor biomassa terutama adalah akar dan daun tanaman. Prekursor polimer biasanya merupakan prekursor karbohidrat termasuk glukosa, sukrosa, pati, selulosa, dan lignin, yang merupakan produk kimia yang berasal dari biomassa. Prekursor resin terutama meliputi resin fenolik, polianilin, dan poliakrilonitril.
Prekursor yang digunakan untuk memproduksi bahan anoda karbon keras terutama adalah prekursor biomassa, resin, dan polimer. Prekursor yang digunakan untuk menyiapkan bahan karbon lunak terutama mencakup bahan baku petrokimia dan produk hilirnya, seperti batu bara, aspal, dan kokas minyak bumi, dll. Namun, bahan karbon lunak berkarbonisasi langsung menunjukkan kapasitas reversibel yang rendah dalam baterai ion natrium.
Karbon amorf memiliki kapasitas reversibel yang sangat baik dan kinerja siklus, dan diharapkan dapat dikomersialkan setelah pengendalian biaya. bahan anoda karbon keras memiliki kapasitas gram yang tinggi tetapi biaya tinggi; bahan karbon lunak memiliki kapasitas gram yang rendah tetapi memiliki keunggulan kinerja biaya. Inti dari bahan anoda baterai ion natrium adalah bagaimana mengurangi biayanya.
Rute teknis inti dari persiapan bahan anoda karbon keras meliputi pemilihan bahan baku dan perlakuan awal, pengikatan silang dan pengawetan, karbonisasi dan pemurnian. Jenis prekursor yang berbeda juga memiliki perbedaan proses dalam persiapan bahan anoda material karbon keras.
Kontrol suhu, atmosfer gas, dan waktu pemanasan pada langkah peralihan memengaruhi ukuran pori, kemurnian, kandungan oksigen, dan luas permukaan spesifik bahan anoda. Hal ini juga secara tidak langsung memengaruhi efisiensi pertama kali, kepadatan energi, keamanan, dan faktor lain dari baterai.
Prekursor polimer organik relatif sederhana dan dapat dikontrol dalam struktur molekul, dan dapat dirancang sesuai dengan kebutuhan struktur molekul yang relevan, sehingga merupakan prekursor yang sangat baik untuk persiapan bahan karbon dan telah menerima banyak perhatian.
Tidak seperti bahan katodapolimer organik dibuat dengan polimerisasi katalitik molekul kecil organik dan memiliki keunggulan dalam memperoleh struktur material anoda karbon keras berbentuk teratur dan proses sintesis yang sederhana, yang memiliki nilai penelitian yang tinggi untuk produksi massal di masa depan dan aplikasi material material anoda karbon keras.
Prekursor berbasis biomassa melimpah dan memiliki karakteristik penggunaan yang berkelanjutan dan biaya rendah. Mereka biasanya mengandung sejumlah besar C, dengan beberapa O, H dan bahkan beberapa heteroatom lainnya seperti N, S, P, dll. Biomassa adalah pilihan yang baik untuk produksi prekursor terbarukan dan berkelanjutan untuk bahan anoda karbon keras yang murah dan berkinerja tinggi. Konversi biomassa menjadi bahan anoda karbon keras adalah sederhana, seperti karbonisasi langsung, karbonisasi hidrotermal (HTC), aktivasi fisik atau kimia, dll.
Biomassa seperti kulit pisang, lumut gambut, sekam padi, kapas, glukosa, protein, dan nanokristal selulosa telah digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai natrium ion dan telah menunjukkan sifat elektrokimia yang baik.
Aspal, sebagai produk sampingan petrokimia berbiaya rendah, sekarang banyak digunakan karena biayanya yang rendah dan kandungan karbon yang tinggi. Namun, bahan dasar aspal dapat dengan mudah membentuk struktur yang teratur selama retak suhu tinggi, sehingga kapasitas penyimpanannya sangat rendah, kurang dari 100 mAh/g. Saat ini, Akademi Ilmu Pengetahuan China telah memodifikasi aspal sebagai prekursor karbon lunak dan jenis resin sebagai prekursor bahan anoda karbon keras dengan meraciknya untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan natrium menjadi 300 mAh/g.
Permintaan untuk bahan anoda karbon keras
Perkiraan permintaan bahan anoda karbon keras baterai Li-ion
Saat ini, sebagian besar perusahaan Cina yang meletakkan bahan anoda karbon keras telah menerapkannya pada baterai lithium-ion dan telah mencapai hasil dan praktik yang kaya. Dalam pemilihan bahan anoda untuk baterai lithium-ion, grafit telah menjadi bahan baku utama.
Cacat struktural anoda grafit membatasi stabilitas siklus dan efisiensi pengisian/pengosongan sebagai bahan anoda untuk baterai lithium-ion, sedangkan karakteristik struktural isotropik dari bahan anoda karbon keras, jarak lapisan yang lebih besar, dan kinerja penggandaan yang baik dari kecepatan penyebaran ion litium selama pengisian/pengosongan membuat bahan anoda karbon keras menjadi pilihan yang lebih baik di bidang baterai lithium-ion.
Bahan anoda karbon keras memiliki karakteristik struktural isotropik, jarak lapisan yang lebih besar, dispersi ion litium yang cepat selama pengisian dan pengosongan, dan kinerja multiplikatif yang baik, sehingga bahan anoda karbon keras memiliki aplikasi yang lebih baik di bidang baterai lithium-ion.
Pada tahun 2021, struktur pengiriman produk anoda baterai lithium China masih didominasi oleh grafit buatan, terhitung 84%; grafit alami adalah segmen produk anoda terbesar kedua, terhitung 14%; bahan anoda lainnya adalah 2%. Di antara segmen lainnya, bahan anoda karbon keras dan bahan karbon lunak adalah bagian utama. Menurut data, bahan anoda karbon lunak dan karbon keras menyumbang 1,7% dari pengiriman global bahan anoda baterai lithium pada tahun 2015.
Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan bahan anoda karbon keras pada baterai litium juga telah membuat beberapa kemajuan industri, jadi kami memperkirakan bahwa dalam beberapa tahun ke depan, bahan anoda karbon keras akan menjadi bahan aplikasi untuk anoda baterai litium, dengan total sekitar 2%. Pengiriman baterai lithium di masa depan menunjukkan tren yang tinggi.
Karena tingkat penetrasi global kendaraan energi baru terus meningkat, permintaan baterai daya dan baterai penyimpanan energi akan terus tumbuh dengan kecepatan tinggi, dan sebelum tahun 2030, sistem baterai lainnya masih sulit untuk pengembangan industri skala besar, baterai lithium-ion akan tetap menjadi rute teknologi utama.
Karena proporsi bahan anoda karbon keras dalam bahan anoda baterai lithium tidak tinggi, maka tarikan lithium untuk bahan anoda karbon keras akan menjadi kecil. Menurut perhitungan bahan anoda karbon keras berkapasitas 300mah / g, platform tegangan 3.2V, baterai lithium 1GWh mengkonsumsi sekitar 1125 ton bahan anoda karbon keras, kami berharap pada tahun 2025 akan ada sekitar 35.000 ton anoda karbon keras. Kami berharap sekitar 35.000 ton bahan anoda karbon keras akan digunakan untuk produksi bahan anoda baterai lithium pada tahun 2025.
Perkiraan permintaan untuk bahan anoda karbon keras untuk baterai natrium
Karakteristik bahan anoda karbon keras dan skenario aplikasi dalam baterai natrium ion: Baru-baru ini, sebuah tim peneliti menguji sifat elektrokimia dari bahan material anoda karbon keras dan menemukan bahwa sebuah sampel menunjukkan kapasitas spesifik yang tinggi yaitu 369,8 mAh/g ketika digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai natrium ion; bahan anoda karbon keras memiliki potensi redoks yang rendah (0,1-1,0 V).
Karena meluasnya penggunaan prekursor prekursor material anoda karbon keras yang terkait biomassa, maka material anoda karbon keras juga telah menjadi pilihan ramah lingkungan untuk material anoda baterai. Sebagai kesimpulan, dalam aplikasi baterai ion natrium, bahan anoda karbon keras memiliki jarak lapisan yang lebih besar dan dapat membentuk senyawa interkalasi yang stabil secara termal dengan natrium dibandingkan dengan grafit, dan memiliki kapasitas penyimpanan natrium yang lebih besar dibandingkan dengan karbon lunak, yang memiliki skenario aplikasi yang lebih baik pada elektroda baterai ion natrium, elektroda kapasitor ion natrium, dan elektroda baterai ion ganda berbasis natrium, yang merupakan bidang yang terkait dengan baterai ion natrium.
Setelah membandingkan dan menganalisis karakteristik baterai natrium ion, baterai lithium besi fosfat, baterai terner, dan baterai timbal-asam dalam hal kepadatan energi, masa pakai, tegangan rata-rata, keamanan, kinerja pengganda, kinerja pengisian cepat, dan kinerja suhu tinggi dan rendah, kami percaya bahwa baterai natrium ion memiliki prospek yang baik dalam skenario aplikasi kendaraan roda dua listrik, kendaraan listrik berkecepatan rendah, penyimpanan energi, dan start-stop.
Dengan asumsi bahwa rasio penggantian baterai natrium adalah 5%, 15%, dan 25% dari tahun 2023 hingga 2025, maka kapasitas terpasang baterai natrium yang sesuai adalah 9GWh, 33,7GWh, dan 72,5GWh. Kami memperkirakan bahwa permintaan bahan anoda karbon keras untuk baterai natrium pada tahun 2023-2025 adalah 0,97 juta ton, 36,2 juta ton, dan 7,79 juta ton.
Dengan menjumlahkan dua bagian permintaan material anoda karbon keras, kami memperkirakan bahwa total permintaan material anoda karbon keras pada tahun 2021 adalah sekitar 12.700.000 ton, sedangkan total permintaan material anoda karbon keras pada tahun 2025 diperkirakan akan tumbuh secara signifikan menjadi sekitar 112.900.000 ton, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 72,8%. Tingkat pertumbuhan gabungan mencapai 72,8%.
Peningkatan teknologi baterai: anoda karbon keras untuk baterai natrium ion
Apa itu karbon amorf
Perbedaan antara sistem grafit dan karbon amorf
Karbon amorf terutama meliputi anoda karbon keras dan karbon lunak, yang biasanya terdiri dari struktur mikro grafit yang terdistribusi secara acak, lembaran nano graphene yang dipilin dan pori-pori di antara struktur mikro yang disebutkan di atas, dan tidak memiliki struktur penumpukan yang teratur.
Grafit telah menjadi yang paling umum anoda baterai lithium ion bahan untuk baterai lithium-ion komersial karena struktur susun jarak jauh dengan konduktivitas listrik yang baik, kapasitas spesifik yang tinggi, dan kinerja bersepeda yang baik, dan sumber bahan bakunya terutama aspal, kokas minyak bumi, dan grafit alami, dengan jarak lapisan sekitar 0,335 hingga 0,34 nm.
Bahan anoda karbon keras adalah karbon non-grafit, yang sulit untuk digrafit bahkan ketika dipanaskan hingga 2800 ° C. Strukturnya sangat tidak teratur dan teredoksifikasi. Strukturnya sangat tidak teratur dan memiliki potensi redoks yang rendah, yang dianggap sebagai bahan anoda yang lebih ideal untuk baterai ion natrium.
Pemilihan karbon
Meskipun grafit memiliki kapasitas penyimpanan lithium yang baik dan memainkan peran penting di bidang baterai lithium ion, namun tidak dapat menjadi bahan anoda yang cocok untuk baterai ion natrium karena jari-jari ion natrium yang besar, yang menghalangi penyematan dan pelepasan ion natrium selama pengisian dan pengosongan, dan orang-orang telah mencoba berbagai metode untuk meningkatkan kinerja penyimpanan natrium grafit, tetapi sejauh ini hasilnya belum memuaskan.
Metode pertama adalah memperluas jarak lapisan grafit untuk meningkatkan performa penyimpanan natrium. Ditemukan bahwa kapasitas spesifik grafit yang diperluas dengan jarak lapisan 0,43 nm adalah 184 mAh / g setelah 2000 siklus pada multiplisitas 5C, dan tingkat retensi kapasitas adalah 73,92%, tetapi struktur yang tertata dalam grafit yang diperluas dihancurkan dari spektrum difraksi sinar-X, yang pada dasarnya adalah amorfisasi grafit yang diperluas. Hal ini memungkinkan lebih banyak Na+ untuk secara reversibel dihilangkan dalam grafit, tetapi grafit oksida tereduksi ini masih mengalami ICE yang rendah, sedangkan mekanisme penyimpanan Na+ dalam grafit oksida tereduksi masih belum jelas.
Karbon amorf juga digunakan dalam praktiknya karena jarak antar lapisannya yang lebih besar dan struktur mikrokristalin yang tidak teratur, yang lebih menguntungkan untuk penyematan dan pelepasan ion natrium. Dalam kasus karbon lunak, karbon ini memiliki struktur yang mirip dengan grafit tetapi kurang teratur, yang lebih kondusif untuk interkalasi natrium daripada grafit dan dapat meningkatkan kapasitas spesifik pada kerapatan arus yang rendah. Luas permukaan spesifik yang lebih rendah dan cacat permukaan karbon lunak dapat mengurangi konsumsi elektrolit ester dan membantu meningkatkan ICE.
Dari sudut pandang komersialisasi, prekursor karbon lunak terbuat dari batubara antrasit, yang lebih murah, dengan harga lebih murah, hasil karbonisasi tinggi, keamanan yang baik dan kinerja elektrokimia tertentu, dan memiliki potensi komersialisasi yang baik. Dari skenario aplikasi, kapasitas yang tidak dimodifikasi adalah 200-220mAh / g, dan area pengisian / pengosongan sebagian besar adalah kemiringan, yang cocok untuk skenario daya tinggi. Sejauh menyangkut bahan anoda karbon keras, ia memiliki struktur yang lebih kompleks pada tingkat molekuler dibandingkan dengan struktur berlapis grafit jarak jauh yang teratur.
Struktur unik dari bahan anoda karbon keras memungkinkan berbagai jenis tempat penyimpanan natrium yang dapat dibalik, termasuk: penyimpanan natrium dengan reaksi penyematan, penyimpanan natrium dengan membentuk kelompok atom dalam pori-pori tertutup, penyimpanan natrium dengan adsorpsi kapasitif pada permukaan yang bersentuhan dengan elektrolit, dan penyimpanan natrium dengan kapasitansi semu pada permukaan internal pada tempat yang berhubungan dengan cacat.
Area pengisian dan pemakaian material memiliki bagian kemiringan dan bagian platform, dan kapasitas spesifik umum dapat mencapai 300-350mAh / g, dan setelah modifikasi yang dioptimalkan, dapat mencapai 400mAh / g, yang akan melebihi kapasitas spesifik teoritis grafit litium (372mAh / g).
Singkatnya, grafit adalah bahan anoda yang penting untuk baterai Li-ion, tetapi aplikasinya dalam baterai natrium ion sangat dibatasi oleh jarak lapisan yang kecil dan ketidakmampuan untuk membentuk senyawa interkalasi yang stabil secara termal dengan grafit, meskipun masalahnya dapat diperbaiki dengan memperluas jarak lapisan dengan grafit yang diperluas dan menyesuaikan elektrolit, tetapi masih ada masalah seperti ICE yang rendah dan stabilitas elektrolit yang buruk.
Sebaliknya, karbon lunak tingkat rendah lebih kondusif untuk penyimpanan natrium dan memiliki biaya prekursor yang lebih murah. Struktur tingkat molekuler yang kompleks dari bahan anoda karbon keras menciptakan banyak jenis situs aktif penyimpanan natrium, dan setelah modifikasi yang dioptimalkan, dapat melebihi kapasitas spesifik teoritis grafit litium, yang memiliki potensi komersialisasi yang kuat. Oleh karena itu, relatif lebih tepat untuk memilih karbon amorf, terutama bahan anoda karbon keras, untuk bahan anoda karbon ion natrium.
Pesaing potensial dari bahan anoda karbon keras
Bahan anoda berbasis silikon
Keuntungan dari bahan anoda berbasis silikon termasuk kapasitas teoritis yang relatif tinggi; kelimpahan alami (silikon adalah elemen yang melimpah di bumi); dan potensi elektrokimia yang sesuai - lebih kecil kemungkinannya untuk membentuk "dendrit litium" daripada bahan anoda karbon keras. ". Tentu saja, kerugiannya juga sama jelasnya: perubahan volume yang tak terelakkan dalam bahan silikon dapat menyebabkan pecahnya struktur atau penghancuran elektroda berbasis silikon, yang pada gilirannya menyebabkan pertumbuhan film SEI yang tidak terkendali; dan konduktivitasnya yang buruk.
Bahan anoda litium titanat
Bahan anoda lithium titanate juga merupakan bahan katoda baterai masa depan yang mungkin, kelebihannya meliputi: metode persiapan sederhana, platform pengisian dan pengosongan yang tinggi, siklus yang stabil, efisiensi Coulomb yang tinggi; bahan "nol regangan", volume kristal dalam siklus reaksi untuk mempertahankan kisaran yang stabil (secara efektif memecahkan fenomena pelepasan bahan elektroda karena perubahan volume); tegangan kerja yang stabil Ion lithium tidak akan mengendapkan dendrit litium pada elektroda; platform tegangan elektroda yang stabil.
Kerugiannya juga ada: konduktivitas rendah dan koefisien difusi ion litium, polarisasi elektroda yang parah di bawah kerapatan arus yang tinggi membuat kapasitas elektroda menurun secara tajam, pembentukan film SEI membuat elektroda dan elektrolit bersentuhan dalam waktu yang lama sehingga menghasilkan reaksi yang merugikan. Berikut ini adalah 5 teratas produsen baterai lithium titanateJika Anda tertarik, silakan klik untuk melihat.
Bahan anoda berbasis timah
Bahan anoda berbasis timah kini menarik banyak perhatian dari para akademisi dan pengusaha. Keuntungannya adalah: sumber daya yang melimpah; kapasitas teoritis yang tinggi; potensi lithium tertanam yang lebih tinggi daripada potensi pengendapan lithium, menghindari pengendapan lithium pada pengganda yang tinggi; dan kepadatan susun yang tinggi. Kerugiannya adalah ekspansi volume Sn selama bersepeda mencapai 259% (baterai Li-ion) dan 423% (baterai natrium-ion), yang secara serius memengaruhi kinerja bersepeda.
Apa yang menentukan sifat-sifat karbon amorf
Bahan anoda karbon keras vs. karbon lunak
Bahan karbon amorf dapat diklasifikasikan menjadi bahan anoda karbon keras dan karbon lunak menurut kemudahan grafitisasi. Karbon lunak biasanya merupakan bahan karbon yang dapat digrafitisasi setelah perlakuan suhu tinggi (di atas 2800 ° C), dan struktur yang tidak teratur dapat dengan mudah dihilangkan.
Bahan anoda karbon keras biasanya merupakan bahan karbon yang tidak dapat digrafitisasi sepenuhnya bahkan setelah perlakuan suhu tinggi (di atas 2800 ° C), dan struktur yang tidak teratur sulit dihilangkan pada suhu tinggi. Pada suhu rendah dan menengah (1000-1600 ° C), tidak ada batas yang jelas antara karbon lunak dan bahan anoda karbon keras, dan mereka dapat disebut karbon amorf.
Meskipun karbon lunak memiliki nilai kapasitas yang tinggi, laju peluruhannya yang cepat menyebabkan hambatan pada aplikasi praktis; bahan anoda karbon keras lebih mudah disiapkan, memiliki siklus hidup yang lebih tinggi, dan telah mendapatkan beberapa aplikasi praktis. Dibandingkan dengan karbon lunak, material anoda karbon keras memiliki struktur yang lebih tidak teratur, konsentrasi cacat yang lebih tinggi, kandungan heteroatom yang lebih tinggi dan jarak yang lebih besar antara lapisan grafit, dan struktur pori yang lebih tertutup.
Hal ini memfasilitasi lebih banyak tempat penyimpanan dan jalur difusi untuk ion Na+. Namun, keekonomisan bahan anoda karbon keras sedikit lebih rendah dibandingkan dengan karbon lunak. Di antara baterai natrium ion, bahan anoda karbon keras lebih dominan dalam aplikasi saat ini dengan kelebihannya. Selain itu, biaya rendah, keberlanjutan, dan kesederhanaan persiapan memberikan lebih banyak kemungkinan untuk komersialisasi bahan anoda karbon keras.
Prekursor
Bahan anoda karbon lunak dan karbon keras sangat bergantung pada sifat prekursor. Selama proses karbonisasi, kemampuan prekursor untuk muncul dalam keadaan menyatu pada rentang suhu yang luas diperlukan agar karbon akhir (kokas) dapat digrafitisasi. Kondisi fusi ini memungkinkan penataan ulang lapisan karbon untuk membentuk struktur lamelar berurutan jarak jauh di mana gas dari dekomposisi termal dapat dengan mudah keluar, sementara kandungan karbon dan densitas residu meningkat.
Karbon amorf biasanya diproduksi dengan pirolisis prekursor organik pada suhu 500-1500°C. Produk akhir setelah pirolisis adalah karbon keras. Apakah produk akhir pirolisis adalah bahan anoda karbon keras atau karbon lunak tergantung terutama pada sifat prekursor.
Prekursor terutama diklasifikasikan ke dalam bahan karbon berbasis biomassa, berbasis polimer, berbasis resin, dan berbasis batu bara. Prekursor biomassa terutama adalah akar dan daun tanaman. Prekursor polimer biasanya merupakan prekursor karbohidrat termasuk glukosa, sukrosa, pati, selulosa, dan lignin, yang merupakan produk kimia yang berasal dari biomassa. Prekursor resin terutama meliputi resin fenolik, polianilin, dan poliakrilonitril.
Prekursor yang digunakan untuk memproduksi bahan anoda karbon keras terutama adalah prekursor biomassa, resin, dan polimer. Prekursor yang digunakan untuk menyiapkan bahan karbon lunak terutama mencakup bahan baku petrokimia dan produk hilirnya, seperti batu bara, aspal, dan kokas minyak bumi, dll. Namun, bahan karbon lunak berkarbonisasi langsung menunjukkan kapasitas reversibel yang rendah dalam baterai ion natrium.
Karbon amorf memiliki kapasitas reversibel yang sangat baik dan kinerja siklus, dan diharapkan dapat dikomersialkan setelah pengendalian biaya. bahan anoda karbon keras memiliki kapasitas gram yang tinggi tetapi biaya tinggi; bahan karbon lunak memiliki kapasitas gram yang rendah tetapi memiliki keunggulan kinerja biaya. Inti dari bahan anoda baterai ion natrium adalah bagaimana mengurangi biayanya.
Rute teknis inti dari persiapan bahan anoda karbon keras meliputi pemilihan bahan baku dan perlakuan awal, pengikatan silang dan pengawetan, karbonisasi dan pemurnian. Jenis prekursor yang berbeda juga memiliki perbedaan proses dalam persiapan bahan anoda material karbon keras.
Kontrol suhu, atmosfer gas, dan waktu pemanasan pada langkah peralihan memengaruhi ukuran pori, kemurnian, kandungan oksigen, dan luas permukaan spesifik bahan anoda. Hal ini juga secara tidak langsung memengaruhi efisiensi pertama kali, kepadatan energi, keamanan, dan faktor lain dari baterai.
Prekursor polimer organik relatif sederhana dan dapat dikontrol dalam struktur molekul, dan dapat dirancang sesuai dengan kebutuhan struktur molekul yang relevan, sehingga merupakan prekursor yang sangat baik untuk persiapan bahan karbon dan telah menerima banyak perhatian.
Tidak seperti bahan katodapolimer organik dibuat dengan polimerisasi katalitik molekul kecil organik dan memiliki keunggulan dalam memperoleh struktur material anoda karbon keras berbentuk teratur dan proses sintesis yang sederhana, yang memiliki nilai penelitian yang tinggi untuk produksi massal di masa depan dan aplikasi material material anoda karbon keras.
Prekursor berbasis biomassa melimpah dan memiliki karakteristik penggunaan yang berkelanjutan dan biaya rendah. Mereka biasanya mengandung sejumlah besar C, dengan beberapa O, H dan bahkan beberapa heteroatom lainnya seperti N, S, P, dll. Biomassa adalah pilihan yang baik untuk produksi prekursor terbarukan dan berkelanjutan untuk bahan anoda karbon keras yang murah dan berkinerja tinggi. Konversi biomassa menjadi bahan anoda karbon keras adalah sederhana, seperti karbonisasi langsung, karbonisasi hidrotermal (HTC), aktivasi fisik atau kimia, dll.
Biomassa seperti kulit pisang, lumut gambut, sekam padi, kapas, glukosa, protein, dan nanokristal selulosa telah digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai natrium ion dan telah menunjukkan sifat elektrokimia yang baik.
Aspal, sebagai produk sampingan petrokimia berbiaya rendah, sekarang banyak digunakan karena biayanya yang rendah dan kandungan karbon yang tinggi. Namun, bahan dasar aspal dapat dengan mudah membentuk struktur yang teratur selama retak suhu tinggi, sehingga kapasitas penyimpanannya sangat rendah, kurang dari 100 mAh/g. Saat ini, Akademi Ilmu Pengetahuan China telah memodifikasi aspal sebagai prekursor karbon lunak dan jenis resin sebagai prekursor bahan anoda karbon keras dengan meraciknya untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan natrium menjadi 300 mAh/g.
Permintaan untuk bahan anoda karbon keras
Perkiraan permintaan bahan anoda karbon keras baterai Li-ion
Saat ini, sebagian besar perusahaan Cina yang meletakkan bahan anoda karbon keras telah menerapkannya pada baterai lithium-ion dan telah mencapai hasil dan praktik yang kaya. Dalam pemilihan bahan anoda untuk baterai lithium-ion, grafit telah menjadi bahan baku utama.
Cacat struktural anoda grafit membatasi stabilitas siklus dan efisiensi pengisian/pengosongan sebagai bahan anoda untuk baterai lithium-ion, sedangkan karakteristik struktural isotropik dari bahan anoda karbon keras, jarak lapisan yang lebih besar, dan kinerja penggandaan yang baik dari kecepatan penyebaran ion litium selama pengisian/pengosongan membuat bahan anoda karbon keras menjadi pilihan yang lebih baik di bidang baterai lithium-ion.
Bahan anoda karbon keras memiliki karakteristik struktural isotropik, jarak lapisan yang lebih besar, dispersi ion litium yang cepat selama pengisian dan pengosongan, dan kinerja multiplikatif yang baik, sehingga bahan anoda karbon keras memiliki aplikasi yang lebih baik di bidang baterai lithium-ion.
Pada tahun 2021, struktur pengiriman produk anoda baterai lithium China masih didominasi oleh grafit buatan, terhitung 84%; grafit alami adalah segmen produk anoda terbesar kedua, terhitung 14%; bahan anoda lainnya adalah 2%. Di antara segmen lainnya, bahan anoda karbon keras dan bahan karbon lunak adalah bagian utama. Menurut data, bahan anoda karbon lunak dan karbon keras menyumbang 1,7% dari pengiriman global bahan anoda baterai lithium pada tahun 2015.
Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan bahan anoda karbon keras pada baterai litium juga telah membuat beberapa kemajuan industri, jadi kami memperkirakan bahwa dalam beberapa tahun ke depan, bahan anoda karbon keras akan menjadi bahan aplikasi untuk anoda baterai litium, dengan total sekitar 2%. Pengiriman baterai lithium di masa depan menunjukkan tren yang tinggi.
Karena tingkat penetrasi global kendaraan energi baru terus meningkat, permintaan baterai daya dan baterai penyimpanan energi akan terus tumbuh dengan kecepatan tinggi, dan sebelum tahun 2030, sistem baterai lainnya masih sulit untuk pengembangan industri skala besar, baterai lithium-ion akan tetap menjadi rute teknologi utama.
Karena proporsi bahan anoda karbon keras dalam bahan anoda baterai lithium tidak tinggi, maka tarikan lithium untuk bahan anoda karbon keras akan menjadi kecil. Menurut perhitungan bahan anoda karbon keras berkapasitas 300mah / g, platform tegangan 3.2V, baterai lithium 1GWh mengkonsumsi sekitar 1125 ton bahan anoda karbon keras, kami berharap pada tahun 2025 akan ada sekitar 35.000 ton anoda karbon keras. Kami berharap sekitar 35.000 ton bahan anoda karbon keras akan digunakan untuk produksi bahan anoda baterai lithium pada tahun 2025.
Perkiraan permintaan untuk bahan anoda karbon keras untuk baterai natrium
Karakteristik bahan anoda karbon keras dan skenario aplikasi dalam baterai natrium ion: Baru-baru ini, sebuah tim peneliti menguji sifat elektrokimia dari bahan material anoda karbon keras dan menemukan bahwa sebuah sampel menunjukkan kapasitas spesifik yang tinggi yaitu 369,8 mAh/g ketika digunakan sebagai bahan anoda untuk baterai natrium ion; bahan anoda karbon keras memiliki potensi redoks yang rendah (0,1-1,0 V).
Karena meluasnya penggunaan prekursor prekursor material anoda karbon keras yang terkait biomassa, maka material anoda karbon keras juga telah menjadi pilihan ramah lingkungan untuk material anoda baterai. Sebagai kesimpulan, dalam aplikasi baterai ion natrium, bahan anoda karbon keras memiliki jarak lapisan yang lebih besar dan dapat membentuk senyawa interkalasi yang stabil secara termal dengan natrium dibandingkan dengan grafit, dan memiliki kapasitas penyimpanan natrium yang lebih besar dibandingkan dengan karbon lunak, yang memiliki skenario aplikasi yang lebih baik pada elektroda baterai ion natrium, elektroda kapasitor ion natrium, dan elektroda baterai ion ganda berbasis natrium, yang merupakan bidang yang terkait dengan baterai ion natrium.
Setelah membandingkan dan menganalisis karakteristik baterai natrium ion, baterai lithium besi fosfat, baterai terner, dan baterai timbal-asam dalam hal kepadatan energi, masa pakai, tegangan rata-rata, keamanan, kinerja pengganda, kinerja pengisian cepat, dan kinerja suhu tinggi dan rendah, kami percaya bahwa baterai natrium ion memiliki prospek yang baik dalam skenario aplikasi kendaraan roda dua listrik, kendaraan listrik berkecepatan rendah, penyimpanan energi, dan start-stop.
Dengan asumsi bahwa rasio penggantian baterai natrium adalah 5%, 15%, dan 25% dari tahun 2023 hingga 2025, maka kapasitas terpasang baterai natrium yang sesuai adalah 9GWh, 33,7GWh, dan 72,5GWh. Kami memperkirakan bahwa permintaan bahan anoda karbon keras untuk baterai natrium pada tahun 2023-2025 adalah 0,97 juta ton, 36,2 juta ton, dan 7,79 juta ton.
Dengan menjumlahkan dua bagian permintaan material anoda karbon keras, kami memperkirakan bahwa total permintaan material anoda karbon keras pada tahun 2021 adalah sekitar 12.700.000 ton, sedangkan total permintaan material anoda karbon keras pada tahun 2025 diperkirakan akan tumbuh secara signifikan menjadi sekitar 112.900.000 ton, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 72,8%. Tingkat pertumbuhan gabungan mencapai 72,8%.
Masih banyak lagi yang bisa Anda lihat di 10 besar perusahaan baterai ion natrium di dunia, anoda berbasis silikon.