文｜起点钠电  

据测算，硬碳负极占钠电池成本在25%左右，目前产品技术成熟的主要企业为可乐丽、吴羽化学等日本企业，进口成本超20万元/吨，目前国内产能相对有限，因而负极材料成为制约钠电池规模化生产的主要因素之一。

1、硬碳为当前钠离子电池负极首选

理想的钠离子电池负极材料应当尽量满足：工作电压低、比容量高、首周库仑效率高、压实密度高、电子和离子电导率高、结构稳定（体积形变小）和空气稳定、成本低廉和安全无毒等特点。

目前主要的钠电负极材料为碳基材料、合金类材料、过渡金属氧化物及有机化合物等，具体如下：

图1：各类钠电负极材料对比

来源：余海军《钠离子电池负极材料的研究进展》

碳基材料中，传统石墨是锂电池体系最主要的负极材料，但由于热力学原因，钠离子无法嵌入到石墨层间与碳形成稳定的化合物，因此石墨难以作为钠电负极材料。层间距较大的无定形碳（软碳、硬碳）具有较高储钠容量、较低储钠电位、优异循环稳定性，应用前景良好。

硬碳是在2800℃以上高温处理后不能石墨化的碳，具有容量高、支持快充过放、安全性强等优势，理论容量可达 530mAh/g，终端应用对高能量密度的需求下，硬碳材料成为主流的负极材料。

软碳是经高温处理后可以石墨化的碳，其成本较硬碳低，但是由于具有石墨化结构，所以储钠量较低；虽然可以通过造孔工艺增大容量，但是会增加成本，反而不如硬碳经济。

2、生物基为硬碳前驱体主流路线

硬碳重要性能参数包含比容量、首次效率、压实密度、循环性能等，硬碳前驱体部分决定硬碳材料性能。硬碳材料的前驱体来源广泛，主要包括生物质基、化石燃料基、树脂基等，优缺点如下：

图2：各类硬碳前驱体优缺点

从成本来看，生物质基、无烟煤基前驱体成本优势较为突出，树脂基成本较为高昂；从比容量性能来看，树脂基较为突出，生物质基优于沥青基及无烟煤基。

综合性能与成本，生物基成为目前企业主要的选择。此外生物质还具有可再生、来源丰富、价格低廉、绿色环保等优点，同时有些生物质具有独特的结构和成分，如中空、多孔、含氮元素等，这些将有利于提高硬碳的储钠性能。

3、生物质基硬碳量产瓶颈

瓶颈一：合适的前驱体筛选

硬碳制造工艺的核心是原材料筛选。硬碳生产工艺主要包括原料选取、各类前处理、纯度控制、碳化、表面改性等过程。而原材料筛选的技术门槛较高，由于前驱体材料的可选范围大，不同产地和批次的生物质往往不具有一致性，所以大部分企业会从原材料选择开始控制一致性，从而降低后期处理的成本（后期处理由于不清楚灰分中的杂质类别，可能无法解决并控制其纯度问题）。

目前可用于硬碳的生物质基材料多达几十种，部分材料性能如下：

而椰壳、淀粉、竹子、秸秆制备的硬碳材料产品克容量普遍高于300 mAh/g，首效高于85%，产品性能优异，目前是企业主要选择的类型。

瓶颈二：批量供应稳定性

生物质基硬碳原材料多为植物器官、生物提取物和生物废料。像秸秆、木材、竹子涉及运输半径问题，企业需要贴近资源地区，以保证合理采购成本；同时需要在长期采购积累中建立稳定供应商和原材料供应体系。

在钠电产业链还不成熟的行业初期阶段，生物质硬碳由于其性能优异，产业化速度较快。但当行业进入成长放量阶段，难以保障原材料供应链的稳定性成为掣肘的难题。

瓶颈三：材料一致性问题

保障材料结构一致性是保障电池系统循环寿命和安全性的基础。不同产地和批次的生物质往往不具有一致性，而硬碳材料的结构依赖于前驱体的状态和碳化工艺，只有保障前驱体具有高度一致性，碳化过程中受热非常均匀，才能保障最终硬碳材料产物的一致性。

采用不同生物质材料作为前驱体的硬碳负极需要不同的碳化温度，所得到的负极材料首周库伦效率也有着显著不同。温度、湿度、气氛、原料比等因素对产品的质量密度、孔道结构及分布、机械强度、电导率等都有着不同的影响。

瓶颈四：工序设备复杂多样

硬碳生产的技术壁垒主要体现在原料选取、交联处理、碳化、纯化等过程中的工艺控制与技术积累。硬碳负极制备的基本环节包括前处理、碳化、纯化等工序。根据原材料的特性，中间会再加入酸洗、水洗、烧结、缩聚固化等工序；根据所需材料性能要求的区别，设计包覆、掺杂、预处理、改性等工艺。

由于前驱体来源不具有一致性，广泛的原料对应了不同的工序与工艺，钠电硬碳负极的生产工序与设备选型也具有复杂性。硬碳负极的制备设备包括粉碎机、球磨机、反应釜、喷雾干燥机、保护气氛反应炉以及一些均质混合设备、包覆设备和筛分设备等。由于部分生产设备仍依赖进口，研发适配各负极厂商产线的国产设备是降本关键，还需进行非标设备的自研。