Ventajas del ánodo de carbono duro frente al ánodo de grafito
En la selección de materiales anódicos, ánodo de carbono duro y el ánodo de grafito son dos materiales de uso común. En este artículo se comparan las ventajas del ánodo de carbono duro y del ánodo de grafito, y se analiza su aplicabilidad en las baterías de sodio.
Ventajas del ánodo de carbono duro
El ánodo de carbono duro, un material de carbono producido por pirólisis a alta temperatura, se ha utilizado ampliamente en baterías por su estructura de poro abierto, su elevada superficie específica y su buena conductividad eléctrica. En comparación con el ánodo de grafito, las principales ventajas del ánodo de carbono duro incluyen los siguientes puntos:
Mayor capacidad específica
El ánodo de carbono duro tiene una mayor capacidad específica, es decir, el material por unidad de masa puede almacenar más iones de sodio. Esta característica permite al ánodo de carbono duro almacenar más carga en el mismo volumen, lo que aumenta la densidad energética de la batería.
Mayor estabilidad del ciclo
Debido a la estructura de poros abiertos del carbono duro, que puede alojar más iones de sodio, la expansión/contracción del electrodo durante la carga/descarga es más uniforme, mejorando así la estabilidad del ciclo y la vida útil del ánodo de carbono duro.
Menor coste
En comparación con el grafito, el coste de producción del ánodo de carbono duro es inferior, y las materias primas son más fáciles de obtener, lo que hace que el ánodo de carbono duro tenga un coste inferior y una mayor competitividad en el mercado de la producción de baterías de sodio.
Ventajas del ánodo de grafito
El grafito es un material de carbono natural que también se utiliza ampliamente en baterías debido a su alta conductividad eléctrica y su gran estabilidad química. En comparación con el ánodo de carbono duro, las principales ventajas del ánodo de grafito son las siguientes:
Mayor conductividad específica
El grafito tiene una conductividad específica más alta y puede transportar cargas más rápidamente, lo que significa que los ánodos de grafito pueden soportar tasas de carga más altas y respuestas de carga/descarga más rápidas, aumentando así la potencia de salida de las baterías de sodio.
Mayor estabilidad física
Comparado con el ánodo de carbono duro, el ánodo de grafito tiene mejor resistencia física y estabilidad, por lo que es menos propenso a la deformación y la fragmentación, mejorando así la seguridad y la vida útil de las baterías.
Ánodo de carbono duro frente a ánodo de grafito: ¿cuál es mejor para las pilas de sodio?
En general, tanto el ánodo de carbono duro como el de grafito tienen sus ventajas únicas, por lo que para elegir qué material utilizar como ánodo de las baterías de sodio hay que tener en cuenta múltiples factores. En general, si se requiere mayor densidad energética y mejor estabilidad de ciclo, el ánodo de carbono duro es más adecuado. Si se requiere una mayor potencia de salida y una mejor estabilidad física, son más adecuados los ánodos de grafito.
Además, hay que tener en cuenta factores como el coste de los materiales y la sostenibilidad. Como se ha mencionado anteriormente, el coste de producción del ánodo de carbono duro es menor y las materias primas son más fáciles de obtener, por lo que es más sostenible en el proceso de producción. Por lo tanto, en algunos escenarios de aplicación que persiguen el bajo coste y la sostenibilidad, el ánodo de carbono duro puede tener más ventajas .
Hay que señalar que la elección entre ánodo de carbono duro y ánodo de grafito no es una relación de lo uno o lo otro, sino que debe considerarse de forma exhaustiva en función de los escenarios y las necesidades específicas de la aplicación. Por ejemplo, en algunas aplicaciones exigentes, un ánodo de carbono duro puede combinarse con un ánodo de grafito para lograr un mejor rendimiento de la batería.
Breve introducción del proceso de síntesis del ánodo de carbono duro
A diferencia de la síntesis de las baterías de iones de litio como baterías de litio para carritos de golfiones de litio batería de motoetc. material del ánodo de grafito, la síntesis del ánodo de carbono duro necesita pasar por procesos como la aromatización, la policondensación, la formación de la capa de grafito, el crecimiento de la capa de grafito y el apilamiento del crecimiento de la lámina.
El grafito artificial utiliza principalmente materias primas químicas como el coque de aguja, el coque de petróleo y la brea. Estas materias primas pueden aparecer en estado fundido en un amplio rango de temperaturas durante el proceso de carbonización, de modo que las capas de carbono pueden reorganizarse para formar una estructura de láminas ordenadas de largo alcance.
Los precursores orgánicos utilizados en los ánodos de carbono duro tienen en su mayoría estructuras de cadena ramificada que contienen grupos como oxígeno, azufre y nitrógeno. En el proceso de carbonización, la reticulación forma una nueva estructura de red, que no favorece la reordenación de las capas de carbono, por lo que es imposible formar una estructura de lámina de grafito ordenada de largo alcance. Las materias primas precursoras utilizadas en el ánodo de carbono duro son principalmente biomasa, resinas y precursores de polímeros.
Varias rutas de proceso para el ánodo de carbono duro
En la actualidad, los precursores de ánodos de carbono duro más utilizados son principalmente materiales poliméricos de origen biológico, como el bambú moso, la cáscara de coco, el almidón, la cáscara de nuez, etc. Al mismo tiempo, también pueden utilizarse materias primas químicas como la antracita, la brea y la resina fenólica.
Los productos de ánodo de carbono duro obtenidos a partir de distintos precursores presentan importantes diferencias de rendimiento, y la fuente de materias primas es diferente, y la estructura de costes también es significativamente diferente. El proceso del ánodo de carbono duro es paralelo multicanal, y las empresas de ánodos muestran cada una sus capacidades.
El precursor del ánodo de carbono duro utilizado por Kuraray es la cáscara de coco, un material de biomasa. Los procesos de ánodo de carbono duro de top 10 fabricantes de ánodos BTR, Shanshan, SHINZOOM y Shenzhen Xfh Technology incluyen materiales de base biológica, materiales a base de resina y materiales a base de asfalto, realizando una disposición sistemática de patentes.
BEST GRAPHIET, como empresa de ánodos de carbono duro que compite con Kuraray, se centra en la preparación de materiales de carbono duro a partir de materiales de biomasa como glucosa, almidón, lignina y cáscara de coco. Yuanli utiliza materias primas como el bambú moso, la cáscara de coco y la cascarilla de arroz. SQ GROUP utiliza paja.
Comparación de los pros y los contras de los principales precursores de ánodos de carbono duro
El material de biomasa de cáscara de coco es uno de los primeros precursores de ánodos de carbono duro industrializados. Este tipo de material existe ampliamente en la naturaleza, tiene menos impurezas y su propia resistencia es relativamente alta, lo que puede aportar una estructura estable a los productos de ánodo de carbono duro. Sin embargo, en la actualidad China no dispone de suficientes materias primas de cáscara de coco para la producción de ánodos de carbono duro y debe recurrir a las importaciones.
Los materiales de biomasa polisacárida, como el almidón, se utilizan mucho como materia prima, tienen un precio bajo y pueden degradarse de forma natural. Tienen ventajas para la protección del medio ambiente. En la actualidad, el principal problema es que el coste del proceso es elevado y se necesitan aditivos adicionales, como agentes de reticulación o modificación por hidrogenación.
Los productos de carbono duro obtenidos a partir de precursores de resina fenólica tienen mejor uniformidad y mayor pureza. Los productos son generalmente partículas esféricas, y debido a que las materias primas son controlables, el diseño del proceso es fuerte, pero la desventaja es que el costo es alto.
Las fuentes de materiales a base de asfalto son muy amplias y el precio es bajo, y pueden utilizarse tanto el asfalto a base de carbón como el asfalto a base de petróleo. Pero la desventaja es que hay más volátiles en el asfalto, lo que requiere un tratamiento adicional de los gases de cola, lo que aumenta el coste, y el proceso actual aún no está maduro, y la capacidad del producto es baja.
