SMM5月9日讯：在由SMM主办的第八届中国国际新能源大会暨产业博览会-中国钠电（锂电）产业发展大会上，中南大学教授周向阳讲述了“钠离子电池硬碳负极的开发”的课题。他分别从钠电开发背景及市场前景、钠电开发背景及市场前景以及钠电硬碳负极未来发展方向及对策等方面展开分享。
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，锂电成本问题不容忽视。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。
相比于传统锂离子动力电池，钠离子电池具有明显的成本优势，且部分性能占优。具体来看：
正极材料成本低50%以上：正极采用价格较低的碳酸钠（价格：约2700元/吨）为原材料，钠离子电池的正极材料成本低于锂离子电池正极材料成本的50%以上。
集流体成本低60%以上：钠离子电池正负极集流体均可以采用成本较低的铝箔。按照当前主流6μm铜箔价格约为5.20元/m2、主流的12μm铝箔价格约为1.06元/m2的情况来测算，钠离子电池的集流体成本也比离子电池的集流体成本低60%以上。
电池成本低30%以上：经测算，采用铜铁锰体系和软碳的钠离子电池材料成本较传统磷酸铁锂电池下降30%~40%，具有明显的成本优势。
性能方面，钠离子电池具有以下性能优势：
安全性能优异。钠离子电池的内阻相比锂离子电池稍高，致命在短路等安全性测试中瞬间发热少、温升较低，在过充、过放、短路、针刺、挤压等所有安全项目测试中，未发现起火、爆炸现象。
高低温性能佳。高温放电（55、80℃）容量超过额定容量100%，低温-40℃放电容量超过70%额定容量，且可实现在-20℃下0.1C充放电，充放电效率近100%。
倍率性能优异。钠离子斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率；钠离子的溶剂化能比锂离子更低，在电解液中也具有更快的动力学和界面扩散性能。
同时，钠离子电池方面还有国家政策的加持，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。
应用场景方面：储能、船舶、电动车需求加码，钠电应用场景广阔
两轮电动车方面，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。
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。
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首要选择。其中，硬碳和软碳材料被认为是具有丰富潜力的钠离子电池负极材料。
通过不同种类的碳负极材料性能对比可以发现，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极佳选择，有望率先产业化。
需要注意的是，硬碳前驱体原材料来源丰富，前驱体选择和工艺技术积累将构筑核心门槛。
此外，硬碳材料开发方面还存在三个关键问题，一方面是探明储钠机遇，再者提升性能和降低成本。
钠电硬碳负极未来发展方向及对策
由于硬碳结构复杂，具有多孔隙和缺陷结构，没有精确的晶体结构表达式，对其储钠/脱钠过程发生的物理化学变化进行研究具有挑战性。研究者对硬碳储钠机制提出多种模型，但对其储钠机制仍没有达成统一认识。因此，有必要采用新的材料表征手段来揭示硬碳材料与电化学反应机制的构效关系，为提升硬碳性能提供理论指导与科学依据。
且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。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。
硬碳负极规模化生产的节能降本方面，从原料、工艺以及装备方面的降本对策如下：
研发进展方面：
快充型软/硬碳复合负极：
是通过构筑异质界面、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。
性能方面，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%。
容量型硬碳负极材料：
优化策略是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。
性能方面，比容量330~350 mAh/g，首效88~90%。
低成本硬碳负极材料：
优化策略是通过对低成本原料进行同质化预处理，通过短流程获得低成本硬碳负极。
性能方面，其比容量280~290 mAh/g，首效87~90%。
