珈钠能源 陈晓洋：生物质硬碳材料储钠机制及其产业化研究

钠储一日同风起扶摇直上九万里，2024年4月9日-10日，由起点钠电、起点储能、PECA光储充联盟主办，金钠科技总冠名的2024（第四届）起点钠电论坛暨鲁班奖颁奖典礼-2024中国国际钠电&光储充大会暨展览会在深圳福田国际会展中心7号馆隆重举办。

在10日上午举办的专场论坛三：钠电新材料专场上，珈钠能源 研发副总监 陈晓洋博士发表了《生物质硬碳材料储钠机制及其产业化研究》的演讲。

图：珈钠能源研发副总监 陈晓洋

以下为演讲内容：

大家好，我今天的介绍主要分4部分，分别是背景、公司介绍、硬碳负极储钠机制研究、硬碳负极产业化研究。

首先是背景。

我国在2020年提出双碳目标，目前以火力发电的能源结构很难达到这个要求，清洁能源具有不连续性、不稳定性，需要大规模储能进行支撑。储能主要是以电化学储能为主，电化学储能里面锂电池占比最大，但是锂由于资源限制，近年价格波动大，为了解决这一限制，需要找到其他的替代方案，钠资源丰富、价格低，钠电除了能量密度不足，在其他方面，比如安全、倍率、低温性能等方面具有明显的优势，并且钠电现在的生产设备与锂电相兼容，所以钠电具有非常广阔的应用前景。

第二部分，公司介绍。

武汉大学的曹教授是珈钠能源的董事长兼首席科学家，曹教授早在2009就开始了钠电研究，在钠电正极材料、负极材料以及电解液方面已经有了十余年的经验积累。曹教授是国内最早一批开始做钠电的专家，并且主持过多个钠电的国家项目。2022年4月珈钠能源正式成立，开始钠电正负极项目的研究，以及产业化。去年6月，公司正极磷酸铁钠千吨级产线投产，目前规划万吨级产线，预计今年9月份建成投产。负极方面，去年10月，公斤级负极产品开始送样头部客户，陆续收到了头部客户比较高的评价，也给了我们信心建设千吨级产线，目前建设完成，预计今年6月开始投产。

经过多年的经验积累，珈钠能源已经累计获得62项专利，其中发明专利43项，实用新型19项。珈钠能源在复合硫酸铁钠、生物质硬碳等已经具备多项核心专利。目前产品已经供应给多个头部客户，包括比亚迪、宁德时代等。

第三部分，硬碳负极储钠机制的研究。

在讲机制前，先简单介绍一下碳材料。碳材料的种类非常多，按照结构以及是否可以石墨化，能够分为石墨、软碳和硬碳。石墨目前作为锂电里应用最常见的负极材料，它因为热力学原因无法储钠，硬碳具备储钠能力，它的充放电具有低电位平台，有着较低的储钠电位、较高的储钠容量、良好的循环稳定性的优势，是目前最具有应用前景的储钠负极材料。

硬碳的结构是非常复杂的，它里面有大量的孔结构，硬碳的微观结构与前驱体的结构以及烧结过程密切相关，这也导致硬碳没有固定的晶形结构和理论的容量。虽然硬碳结构复杂，但硬碳储钠机制有多种形式：“插入-吸附”机制、“吸附-嵌入”机制、“吸附-嵌入-填充”机制、“吸附-填充”机制。

目前，关于硬碳储钠机制的争议主要集中在低电位平台区，这个区域也是决定硬碳容量的关键。我们根据硬碳储钠机制进行了大量的研究，最早是在2012年提出了吸附嵌入机制，并进行了一系列研究验证该机制。随着硬碳研究越来越多，业界制备出来的硬碳结构也越来越多，我们发现存在一些硬碳的行为确实不符合吸附机制。所以我们又进行了详细的研究，提出了更加普适性的吸附-填充机制。

通过研究电化学行为对比的硬碳储钠机制，以及不同结构硬碳对比的硬碳储钠机制，我们发现，硬碳储钠类似于石墨储锂形成石墨插层化合物，两种不同结构硬碳表现出不同的电化学行为和不同的钠储存状态，而钠离子可存储在层间和孔中，但需要合适的层间距和孔径。根据实验结果我们提出了更加普适性的机制，“吸附-嵌入/填充”混合机制，我们的产品开发理念是从机理出发，产品开发理念是从机理出来，开发设计出不同结构的硬碳材料，满足不同的需求。

第四部分，硬碳负极产业化研究。

提到硬碳产业化要面对的就是前驱体的选择，可以是沥青、煤，也可以是树脂类产品，但更多的是生物质前驱体材料，生物质材料具有价格低、原料来源广泛，且具有丰富的天然活性基团和孔道结构，利于结构调控等优势，综合考虑原料价格、加工成本、杂质含量等多种因素，我们对硬碳的生物质前驱体进行筛选，形成了以生物质为基础的技术生产路线，在保证成本的基础上实现稳定且可靠的原料供应。

目前我们针对不同的应用领域，主要有3款产品，应用领域分别是低速二轮车、储能、高能量密度钠离子电池。

第一款是HCM-1，首效大于91%，这款硬碳的成本非常低，规模量产成本能做到1到1.5万，材料倍率性能与可乐丽硬碳相近，非常适合对成本要求比较高的低速二轮车领域。

第二款是HCH-1，这款硬碳的容量在300毫安时，循环性能非常好，比较适合储能领域。

第三款是HCA-1，容量在400毫安时，首效大于92%，适合制备高能量密度钠离子电池。

此外，我们基于NFPP/HCM-1材料制备了1Ah软包电池，能实现85℃存储4小时/25℃存储60天。

最后，再介绍一下公司产业化进程，目前，公司万吨产线正在建设中，预计2024年6月投产。

谢谢大家！

注：上述内容根据速记整理，未经演讲嘉宾审核

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