【SMM分析】椰壳炭基硬碳负极的钠离子电池产业化之路如何？

来源：SMM2025-04-24 09:41

【SMM分析：椰壳炭基硬碳负极的钠离子电池产业化之路如何？】SMM4月24日讯：据海关总署最新数据显示，2025年3月果壳炭进口量9871.1吨，环比增加11%，同比减少40.5%。果壳炭3月进口均价为492.39美元/吨...

SMM4月24日讯：

据海关总署最新数据显示，2025年3月果壳炭进口量9871.1吨，环比增加11%，同比减少40.5%。果壳炭3月进口均价为492.39美元/吨。

进口果壳炭在国内的应用场景较为广泛，具体有工业吸附与净化、水净化处理、土壤改良、作为硬碳负极使用在钠离子电芯中。椰壳作为农业废弃物，其天然多孔结构和高含碳量（约 50%），为硬碳制备提供了理想前驱体。相较于石油焦等传统原料，椰壳基硬碳具有成本低、可持续（全球椰壳年产量超 2000 万吨）、环境友好等显著优势。那么从椰壳炭是如何变成硬碳负极的呢？

第一步：椰壳炭的改性

预处理阶段

椰壳经破碎筛分至 20-40 目后，采用 "酸碱两步法" 去除杂质：先在 5% NaOH 溶液中 80℃浸泡 12 小时脱除灰分，再用 3% HCl 溶液酸洗去除金属离子，最终通过闪蒸干燥技术获得含水量 < 2% 的椰壳粉。此过程可将灰分含量从初始的 3.5% 降至 0.3% 以下。

活化造孔工艺

采用 KOH 活化法构建多级孔隙结构：椰壳粉与 KOH 按 1:3 比例混合，在氮气气氛中以 5℃/min 升温至 800℃，保温 2 小时。该过程中 KOH 与碳发生反应（6KOH + 2C → 2K + 3H₂↑ + 2K₂CO₃），生成的 CO₂气体刻蚀碳骨架，形成比表面积 1200-1500 m²/g 的介孔结构。

高温碳化定型

活化产物在 1200-1400℃惰性气氛中进行二次碳化，通过调控升温速率（10℃/min）和保温时间（4 小时），形成稳定的硬碳结构。此阶段石墨化度（La）从初始的 2.1 nm 增至 3.5 nm，层间距（d002）稳定在 0.37-0.39 nm，满足钠离子插层需求。

表面工程优化

采用 "羧基 - 羰基双官能团包覆技术" 改善界面性能：将硬碳粉末与柠檬酸（质量比 1:0.1）在乙醇溶液中超声分散 2 小时，经真空干燥（120℃，12 小时）后，在 400℃氩气气氛中热处理 2 小时。XPS 分析显示，包覆层引入 0.8 at% 的 C=O 键，使 SEI 膜阻抗从 320 Ω 降至 120 Ω。

第二步：电极制备与测试性能表现

将改性硬碳（80%）、Super P（10%）、PVDF（10%）在 NMP 中搅拌成浆，涂覆于铜箔（面密度 1.5 mg/cm²），经 80℃真空干燥 12 小时制成电极。在半电池测试中，该硬碳负极展现出 280 mAh/g 的可逆容量，首次库伦效率提升至 85%，循环 200 次后容量保持率达 92%。与磷酸铁钠正极匹配的全电池能量密度达 105 Wh/kg，循环寿命超过 1500 次。

第三步：产业化关键技术突破

连续化生产设备：开发了微波辅助碳化炉，将生产周期从传统工艺的 24 小时缩短至 6 小时，能耗降低 40%。

智能改性系统：基于机器学习算法，实现活化剂配比（KOH/C）和碳化温度的精准调控，产品批次稳定性提升至 98%。

低成本电解液：采用碳酸乙烯酯（EC）/ 碳酸二甲酯（DMC）/ 碳酸甲乙酯（EMC）=3:3:4 的混合体系，配合 1.2 M NaClO4 盐，成本较传统锂盐降低 60%。

当前椰壳基硬碳仍面临振实密度低（0.6-0.8 g/cm³）、高倍率性能不足（10C 容量保持率 < 60%）等问题。未来可通过纳米结构设计（如制备硬碳 / 石墨烯复合材料）、电解质优化（采用离子液体电解液）等手段突破性能瓶颈。随着全球对可再生能源存储需求的激增，椰壳基硬碳负极有望在 2030 年前实现大规模商业化应用，推动钠离子电池成本降至￥0.3/Wh 以下。