竹基硬炭的科学与产业：从实验室数据到产业化落地

在全球碳中和目标推动下，新能源电池技术正经历一场深刻的变革。根据国际能源署（IEA）2023年报告，到2030年全球电池需求预计将增长5倍，其中低温性能和可持续性成为关键挑战。在这一背景下，钠电负极竹基硬炭因其独特的孔隙结构和环境友好特性，正从实验室走向产业前沿。

制备工艺：从竹子到负极材料

原料筛选

竹基硬炭的起点是原料选择。研究表明，毛竹（Phyllostachys edulis）因其高含碳量和低灰分成为最优选择。在实际生产中，竹龄3-5年的竹子被证明能提供最佳碳化效果。

预碳化与酸洗工艺

炭化工艺是决定竹炭性能的关键步骤。实验室数据显示：低温慢速炭化（400-600℃，升温速率5℃/min）能保留更多介孔结构；盐酸预处理（专利CN113735152A）能进一步去除金属杂质，提升导电性。

高温碳化工艺

高效碳化是将前驱体转化为高性能硬碳的关键。温度、加热速率和热解气氛等参数对孔隙分布、层间距及微观结构有显著影响。对于像竹子这样的高挥发性生物质，控制碳化过程中的挥发物释放对于形成钠离子吸附和扩散所需的微孔/介孔结构至关重要。

将竹炭转化为负极硬炭面临三大挑战：

1、原料一致性：竹子不同年龄、产地的区别，影响竹子整体杂质水平（常见灰分3-5%）。

2、高灰分压力：竹子生长过程中会吸收土壤中大量元素，导致竹炭出现高灰分的情况，酸洗压力过大（需多遍酸洗或高浓度酸溶液）。

3、竹基产业链：竹产品已存在半个多世纪，是我国较为成熟的产业链，随着消费者“以竹代塑”等理念的认同，作为后起之秀的新能源产业，也面临着与传统竹产品行业竞争原料的问题。

商业化现状与挑战

部分企业/机构的竹基硬炭进展

1. 湖南钠科新材料有限公司（中南大学产学研合作企业）

2.温州钠术新能源科技有限公司

生物质硬炭规模化制备技术：温州钠术的硬碳负极材料研发以生物质（包括竹子）为核心前驱体，通过预炭化 - 碱酸两段改性 - 气相回火的联合工艺，在800-950℃低温下实现高性能硬炭的制备。该技术解决了传统高温工艺的高能耗问题，同时通过化学改性和气相处理优化材料的孔隙结构，显著提升快充性能和低温循环稳定性。

3.苏州易钠新能源有限公司

3. 中南大学（湖南省重大科技攻关项目牵头单位）

4. 中国科学技术大学团队

现存技术瓶颈

1. 能量密度短板：

• 竹炭钠电140-180Wh/kg，低于磷酸铁锂180Wh/kg，更低于三元220-300Wh/kg。

2. 原料成分不均一与预处理复杂性

• 竹材天然含有纤维素（40-50%）、半纤维素（25-35%）、木质素（15-25%）及灰分等成分，不同竹种、竹龄的物化特性差异显著，导致原料批次稳定性差。此外，竹材中的硅、钾等微量元素可能影响硬炭的电化学稳定性，需通过多级水洗或离子交换进一步纯化，但这会增加工艺复杂度和成本。
  

3. 孔隙结构调控难度大

• 硬炭的储钠性能高度依赖封闭孔体积和碳层无序度。竹材天然的导管网络虽为闭孔形成提供模板，但传统碳化工艺（如直接高温碳化）难以精准调控孔隙结构，导致封闭孔体积仅 0.15-0.2 cm³/g，平台容量较低。

  
  

  
  

结 论

现有数据表明，竹基硬炭在低温性能和成本优势上已展现出明确竞争力。然而，要真正实现产业化，仍需解决能量密度与寿命的平衡、大规模生产的质量控制、产业链配套完善等问题。

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我司拥有多元化的生物质原料产品线，包括东南亚优质椰壳炭、精选国内优质竹材制成的竹炭以及杏壳、桃壳等多种果壳炭，其中，我司竹炭具有超低灰分（可控制在2%左右）和低挥发分（低于8%）的优异特性，整体原料产能超过30,000吨，极其适合锂、钠离子电池负极材料、超级电容器电极材料等高端应用领域。

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