文｜起點(diǎn)鈉電
據(jù)測(cè)算，硬碳負(fù)極占鈉電池成本在25%左右，目前產(chǎn)品技術(shù)成熟的主要企業(yè)為可樂(lè)麗、吳羽化學(xué)等日本企業(yè)，進(jìn)口成本超20萬(wàn)元/噸，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)能相對(duì)有限，因而負(fù)極材料成為制約鈉電池規(guī)?；a(chǎn)的主要因素之一。
1、硬碳為當(dāng)前鈉離子電池負(fù)極首選
理想的鈉離子電池負(fù)極材料應(yīng)當(dāng)盡量滿足：工作電壓低、比容量高、首周庫(kù)侖效率高、壓實(shí)密度高、電子和離子電導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（體積形變?。┖涂諝夥€(wěn)定、成本低廉和安全無(wú)毒等特點(diǎn)。
目前主要的鈉電負(fù)極材料為碳基材料、合金類材料、過(guò)渡金屬氧化物及有機(jī)化合物等，具體如下：
圖1：各類鈉電負(fù)極材料對(duì)比
來(lái)源：余海軍《鈉離子電池負(fù)極材料的研究進(jìn)展》
碳基材料中，傳統(tǒng)石墨是鋰電池體系最主要的負(fù)極材料，但由于熱力學(xué)原因，鈉離子無(wú)法嵌入到石墨層間與碳形成穩(wěn)定的化合物，因此石墨難以作為鈉電負(fù)極材料。層間距較大的無(wú)定形碳（軟碳、硬碳）具有較高儲(chǔ)鈉容量、較低儲(chǔ)鈉電位、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，應(yīng)用前景良好。
硬碳是在2800℃以上高溫處理后不能石墨化的碳，具有容量高、支持快充過(guò)放、安全性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，理論容量可達(dá) 530mAh/g，終端應(yīng)用對(duì)高能量密度的需求下，硬碳材料成為主流的負(fù)極材料。
軟碳是經(jīng)高溫處理后可以石墨化的碳，其成本較硬碳低，但是由于具有石墨化結(jié)構(gòu)，所以儲(chǔ)鈉量較低；雖然可以通過(guò)造孔工藝增大容量，但是會(huì)增加成本，反而不如硬碳經(jīng)濟(jì)。
2、生物基為硬碳前驅(qū)體主流路線
硬碳重要性能參數(shù)包含比容量、首次效率、壓實(shí)密度、循環(huán)性能等，硬碳前驅(qū)體部分決定硬碳材料性能。硬碳材料的前驅(qū)體來(lái)源廣泛，主要包括生物質(zhì)基、化石燃料基、樹(shù)脂基等，優(yōu)缺點(diǎn)如下：
圖2：各類硬碳前驅(qū)體優(yōu)缺點(diǎn)
從成本來(lái)看，生物質(zhì)基、無(wú)煙煤基前驅(qū)體成本優(yōu)勢(shì)較為突出，樹(shù)脂基成本較為高昂；從比容量性能來(lái)看，樹(shù)脂基較為突出，生物質(zhì)基優(yōu)于瀝青基及無(wú)煙煤基。
綜合性能與成本，生物基成為目前企業(yè)主要的選擇。此外生物質(zhì)還具有可再生、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有些生物質(zhì)具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和成分，如中空、多孔、含氮元素等，這些將有利于提高硬碳的儲(chǔ)鈉性能。
3、生物質(zhì)基硬碳量產(chǎn)瓶頸
瓶頸一：合適的前驅(qū)體篩選
硬碳制造工藝的核心是原材料篩選。硬碳生產(chǎn)工藝主要包括原料選取、各類前處理、純度控制、碳化、表面改性等過(guò)程。而原材料篩選的技術(shù)門檻較高，由于前驅(qū)體材料的可選范圍大，不同產(chǎn)地和批次的生物質(zhì)往往不具有一致性，所以大部分企業(yè)會(huì)從原材料選擇開(kāi)始控制一致性，從而降低后期處理的成本（后期處理由于不清楚灰分中的雜質(zhì)類別，可能無(wú)法解決并控制其純度問(wèn)題）。
目前可用于硬碳的生物質(zhì)基材料多達(dá)幾十種，部分材料性能如下：
而椰殼、淀粉、竹子、秸稈制備的硬碳材料產(chǎn)品克容量普遍高于300 mAh/g，首效高于85%，產(chǎn)品性能優(yōu)異，目前是企業(yè)主要選擇的類型。
瓶頸二：批量供應(yīng)穩(wěn)定性
生物質(zhì)基硬碳原材料多為植物器官、生物提取物和生物廢料。像秸稈、木材、竹子涉及運(yùn)輸半徑問(wèn)題，企業(yè)需要貼近資源地區(qū)，以保證合理采購(gòu)成本；同時(shí)需要在長(zhǎng)期采購(gòu)積累中建立穩(wěn)定供應(yīng)商和原材料供應(yīng)體系。
在鈉電產(chǎn)業(yè)鏈還不成熟的行業(yè)初期階段，生物質(zhì)硬碳由于其性能優(yōu)異，產(chǎn)業(yè)化速度較快。但當(dāng)行業(yè)進(jìn)入成長(zhǎng)放量階段，難以保障原材料供應(yīng)鏈的穩(wěn)定性成為掣肘的難題。
瓶頸三：材料一致性問(wèn)題
保障材料結(jié)構(gòu)一致性是保障電池系統(tǒng)循環(huán)壽命和安全性的基礎(chǔ)。不同產(chǎn)地和批次的生物質(zhì)往往不具有一致性，而硬碳材料的結(jié)構(gòu)依賴于前驅(qū)體的狀態(tài)和碳化工藝，只有保障前驅(qū)體具有高度一致性，碳化過(guò)程中受熱非常均勻，才能保障最終硬碳材料產(chǎn)物的一致性。
采用不同生物質(zhì)材料作為前驅(qū)體的硬碳負(fù)極需要不同的碳化溫度，所得到的負(fù)極材料首周庫(kù)倫效率也有著顯著不同。溫度、濕度、氣氛、原料比等因素對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量密度、孔道結(jié)構(gòu)及分布、機(jī)械強(qiáng)度、電導(dǎo)率等都有著不同的影響。
瓶頸四：工序設(shè)備復(fù)雜多樣
硬碳生產(chǎn)的技術(shù)壁壘主要體現(xiàn)在原料選取、交聯(lián)處理、碳化、純化等過(guò)程中的工藝控制與技術(shù)積累。硬碳負(fù)極制備的基本環(huán)節(jié)包括前處理、碳化、純化等工序。根據(jù)原材料的特性，中間會(huì)再加入酸洗、水洗、燒結(jié)、縮聚固化等工序；根據(jù)所需材料性能要求的區(qū)別，設(shè)計(jì)包覆、摻雜、預(yù)處理、改性等工藝。
由于前驅(qū)體來(lái)源不具有一致性，廣泛的原料對(duì)應(yīng)了不同的工序與工藝，鈉電硬碳負(fù)極的生產(chǎn)工序與設(shè)備選型也具有復(fù)雜性。硬碳負(fù)極的制備設(shè)備包括粉碎機(jī)、球磨機(jī)、反應(yīng)釜、噴霧干燥機(jī)、保護(hù)氣氛反應(yīng)爐以及一些均質(zhì)混合設(shè)備、包覆設(shè)備和篩分設(shè)備等。由于部分生產(chǎn)設(shè)備仍依賴進(jìn)口，研發(fā)適配各負(fù)極廠商產(chǎn)線的國(guó)產(chǎn)設(shè)備是降本關(guān)鍵，還需進(jìn)行非標(biāo)設(shè)備的自研。