钠离子电池正负极关键材料

我国“碳达峰、碳中和”宏伟目标的提出，明确了社会发展的绿色低碳导向。实现这一目标的关键在于提升新能源在能源结构中的比重、构建以新能源为主体的新型储能。新型二次电池是新能源体系的重要支撑，是新能源在电力、交通、军事等重要领域广泛应用的关键。钠离子电池具有低成本、长寿命和高安全性等突出优势，有望应用于低速电动车、数据中心、通信基站、家庭/工业储能、可再生能源大规模接入和智能电网等领域，具有重要经济价值和战略意义。但钠离子电池的实用化受到其能量密度、循环稳定性的制约，因此，亟需开发高性能、高稳定性且低成本的正负极关键材料。

在正极侧，钒基聚阴离子材料因其出色的长循环稳定性和高安全性而备受关注。然而，目前氟磷酸钒钠的合成工艺存在诸多问题，如高温烧结导致产物不纯、能耗高等。为解决这些问题，本项目创新性地筛选并引入具有特定基团的添加剂，在低温液相体系里首次实现了兼具高结晶度和高性能的氟磷酸钒钠正极材料的可控快速制备。制备流程仅需数小时，且无需后续陈化处理和高温烧结步骤。这一制备技术先进且经济高效，添加剂来源广泛且价格低廉，显著降低了材料制备成本和设备能耗。氟磷酸钒钠正极材料低成本快速制备技术的实现大大降低了储能上游的成本压力，有助于推动可再生能源的大规模应用。

在负极侧，硬碳材料具有储钠容量较高、来源广泛、成本低廉等优势，是目前最具产业化前景的钠离子电池负极材料之一。硬碳材料根据来源可分为树脂基硬碳、沥青基硬碳以及生物基硬碳材料。其中生物质基硬碳的前驱体为可再生资源，来源丰富，且具有独特的微观结构与自掺杂效应，具有较高的可逆比容量，是目前极具商业化潜力的钠离子电池硬碳负极材料。本项目在钠离子电池生物质基硬碳材料方面具有坚实的研究基础，已创新性地开发了以生物质椰壳、莲蓬、罗望子以及生物质衍生物木糖、壳聚糖等为前驱体的硬碳材料，上述硬碳材料制备工艺简单、原材料成本低廉、比容量高，具有在钠离子电池硬碳负极市场实现商业化应用的潜力。

本项目的钠离子电池正负极关键材料研究成果坚实，有望在大规模储能电站领域得到初步应用，随着研究的进一步成熟，材料制备成本有望进一步降低，并拓展应用于商用领域，如低速电动车、通信基站和智能电网等。这一研究成果的推广应用有望推动钠离子电池市场推广，进一步促进清洁能源和储能技术的发展。

图1.本项目研发的钠离子电池正负极材料

在正极侧，本项目所研发的氟磷酸钒钠制备工艺在采用来源广泛且价格低廉的添加剂的基础上，进一步选用廉价的五价钒化合物作为钒源，显著降低了材料的总制备成本。同时，由于无需进行后续的陈化处理和高温烧结过程，该技术显著节约了能耗，缩短了制备周期，并提高了经济效益。根据原材料核算，采用本工艺制备的氟磷酸钒钠的成本约为7.28万元/吨。未来，本项目拟继续研发并采用廉价的过渡金属作为掺杂剂，以降低贵重过渡金属元素在氟磷酸钒钠材料中的比例，进一步降低材料总成本。

在负极侧，目前进口的硬碳负极材料（如日本可乐丽椰壳硬碳）价格高于20万元/吨，开发低成本硬碳材料的需求极为迫切。目前硬碳采用的前驱体原料主要有生物质、树脂基和沥青等。树脂基制备出的硬碳成本昂贵，产业化难度大。沥青基前驱体虽然成本低廉，原料易获取，但性能不佳，且存在环境污染问题。生物质原材料成本低廉，远低于人造石墨的价格，如生物质原材料价格仅在数百元/吨。其次，成功选型并大规模量产之后，生物质硬碳的制备工艺简单，相对石墨而言能耗较低，可进一步促进制备成本的下降。生物质基硬碳负极材料可通过热解大多数碳前驱体制得，原料来源广泛，绿色环保，大部分是工农业生产过程中的副产品或是废料。特别是从废弃植物生物质中提取的可再生硬碳，价廉易得、合成工艺多元，以其为碳源制备钠离子负极材料有望实现生物质废弃物的高值化利用。生物质具有丰富的杂原子和独特的微观结构，通过碳化植物生物质基材制备的硬碳，保留了植物生物质模板中的材料结构和孔隙通道，表现出更高的充放电比容量、优异的倍率和循环性能。因此，生物质制备硬碳兼具高性能与低成本优势。