国科炭美采购中心总监/中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员王志坚：面向电化学储能的多孔炭和硬炭材料开发与产业化

开拓新蓝海 共赢新周期！

11月6-7日，由起点钠电、起点锂电、起点充换电、起点研究院（SPIR）联合主办的2024起点钠电行业年会、2024起点锂电&两轮车换电行业年会（同期举办：2024第十届起点金鼎奖颁奖典礼/CINE中国钠电展）在深圳山燕子湖会展中心A馆隆重举办，现场1500+产业链嘉宾齐聚盛会，共探行业新篇章。

6日下午，在2024起点钠电行业年会-钠电负极材料专场，国科炭美采购中心总监/中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员王志坚发表了以《面向电化学储能的多孔炭和硬炭材料开发与产业化》为主题的演讲。

图：国科炭美采购中心总监/中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员王志坚

以下为现场实录：

王志坚：首先介绍电化学储能的碳材料。

我们都知道，碳材料在储能中拥有不可替代的作用，比如在锂离子电池中的石墨、硅碳等，这里面可能添加导电剂。我们做材料的有一句话，万物皆可烧，碳元素的材料，经过热处理都可以形成我们需要的碳材料。有机碳前驱体热分解、芳构化、缩聚、微晶生长、取向，形成各种炭材料。

不同温度下炭材料储锂行为差异很大，容量、首效、可逆性各不相同。比如无定形碳，它和石墨比具有比较大的容量，和低温处理的碳比具有比较好的可逆性和首效。在钠离子电池里，只能用无定形碳储钠。

自由基释放，煤中弱共价键（脂肪碳及O、S）热解离产生挥发性自由基碎片；自由基碎片之间、自由基碎片与焦之间发生反应。

固体碳，芳香结构单元缩聚生长，自由基反应，小分子溢出产生孔隙。

电化学储能碳材料关键科学问题，比如识别并解决技术开发中的痛点科学问题，助力储能用无定形碳开发。

抑制淀粉热解过程副反应引导芳香环成环过程，引入马来酸酐对淀粉C-6上活性羟基定向交联，抑制左旋反应，维持形貌，提高收率。

释放竹子中自由基加速热解并促进多级孔的形成，通过脱木质素调控竹子内的自由基浓度，使得热解过程中成孔位点大幅增加。增加自由基位点促进快速解聚、闭孔丰富；但过多活性位点导致储钠空间快速减少。得益于超高的闭孔孔容及分级的超微孔结构，最优样品可逆容量为350mAh/g。

木质素活化引发自由基诱导封闭孔隙的形成，通过K2CO3化学活化结合高温炭化木质素衍生硬炭在材料内部构筑高连通性闭孔结构。开孔自愈合源于自由基对结构的修复，平台区容量大幅度提升，并具有良好倍率性能。

交联淀粉氧含量是平衡碳骨架稳定性与开放孔隙的关键因素，适量氧的脱除利于开孔闭合，降低比表面积；促进热解时碳原子重排，提高收率。

“切割”族组分与预氧化耦合，可逆容量：309.7mAh g-1；首次库伦效率：ICE=91%；出色的Na+传输动力学和稳定性；通过溶剂分割法可以将复杂的沥青体系实现“降维” 处理，实现沥青基硬炭结构的进一步精细化调控和电化学性能的全面提升。

我们经过深入研究发现，调控交联沥青中氧官能团构型以优化硬炭的储钠性能，C-O构型主要促进了平面间的交联结构；而C(O)-O构型由于其空间效应利于3D交联结构。

我们现在也研究的煤，煤原料“降维”处理，轻组分更具有良好储钠行为，它的可逆容量到了330mAh/g，首效90%。

硬炭微观结构解析和构效关系建立，分形维度D越大，硬炭微观结构越无序，斜坡区容量占比越低。

我们也寻找硬炭结构无序性的源头，硬炭结构无序性来自原子尺度的非六元环和交联结构。硬炭无序结构对钠离子扩散行为的影响，无序结构改变了钠离子扩散模式，同时由于存在碳层曲率，降低钠离子扩散速度。而且无序结构增加碳层局部静电势，促进钠团簇形成，提高填充容量，但可逆性变差，倍率性能也会比较差。

下面介绍我们团队的工程化进展。

我们的碳基储能材料中试平台，完善的全流程储能炭材料研发平台，为产业化奠定基础。

我们的电化学储能器件组装评测平台，具备扣式、圆柱和软包器件设计、组装与评测系统能力。料要成材，材要成器，器要好用。

嵌顿级超级电容多孔炭工业示范，千吨级工艺包夯实产业化技术基础，批量化材料验证助力市场开发。2023年初启动年产1000吨硬炭工业示范线建设，2024年1月建成。研发中心（理化性能测试平台、器件组装评测平台）初具规模。

钠电负极主要有这几款产品，包括C300A、D300、B22O、B250等，可以供多种应用场景的使用。

C300A是沥青级的硬炭，原料供应充足，性能稳定，而且这个硬炭的离子扩散系数很高，低温性能优异。

D300沥青产品是低成本，同时具有高动力学的性能。

B220是煤机硬炭，最大的特点是超低成本，而且它的动力学性能和循环稳定性也是非常不错，目前在两轮车、三轮车领域很受大家混合。

B250成本比较高，主要是面对高端的二、三轮电动车的应用场景。

高压实、高功率型的C300B，同样是沥青级，原料也是供应充足稳定，特点是极片压实密度非常高。

下面介绍多孔炭。

我们主要是做多孔炭负极，前期研发电容碳的时候积累了非常丰富的经验，已经阐明了表面结果对电化学性能的影响机制，为开发多孔炭提供更多科学依据，突破电容炭工程化技术难题，自主设计开发全套工艺与核心装备。

我们的产品，类球形结构，优异加工性能，高比表面积，可调孔道结构等，以及高纯度。

国际标准的制定，我们主持订先进炭材料与电化学储能领域国际和国家标准9项，引领行业高质量发展，2022年获IEC1906奖。

我们和下游企业也进行了很多深入沟通与交流，谢谢大家！

注：本文根据速记稿件整理，未经演讲者审核！