TECHNOLOGY EXPLAINER
ハードカーボン負極
― 「物質」ではなく、「前駆体と焼成条件が決める微細構造」
ナトリウムイオン電池の負極に広く使われるハードカーボンは、黒鉛のような決まった結晶ではありません。 小さな炭素の層がばらばらの向きに固まり、そのすきまに閉じた細孔を抱えた、硬い炭素です。 同じ「ハードカーボン」という名前でも、何から作り、何度で焼いたかで、容量も初回効率もまったく別の材料になります。
- ハードカーボン負極とは何か（3行でつかむ）
- 構造 ― 乱層構造と閉孔
- ナトリウム貯蔵の機構 ― 吸着・挿入・細孔充填
- 素材技術者の視点①：機構が定まっていないことは、設計指針が定まっていないこと
- 本稿の計算：細孔体積とプラトー容量の上限、XRD の見え方
- 前駆体 ― バイオマス、樹脂、ピッチ
- 製造と炭化温度
- 素材技術者の視点②：同じ「ハードカーボン」を、ロットで揃えるむずかしさ
- 初回効率と容量のトレードオフ
- コスト
- 物性評価 ― XRD・SAXS・BET
- 課題
- 評価・標準の読み方
- 用語集
- 参考資料（一次情報）
- 主張と出典の対応表（監査）
事実＝公表資料に記載のある内容（出典リンクあり）
本稿の計算＝明示した前提をもとに本記事が算出した値
未確定／将来＝計画・目標であり、実績が確認できていない事項
このほか、構造の整理や材料設計上の読み取りは「解説」として区別しています。企業の資料の値は「企業の公表値」です。
本稿で挙げる容量や初回効率は、多くが研究室の半電池（ナトリウム金属を対極にしたコイン形セルなど）で、低い電流密度で測った値です。量産品・全電池の性能として読まないでください。
1. ハードカーボン負極とは何か（3行でつかむ）
ハードカーボンは、「高温で焼いても黒鉛にならない（難黒鉛化性の）炭素」です。 ロードマップは、酸素を多く含む前駆体から作られ、炭化温度を上げても黒鉛にならない炭素だと説明しています事実［1］。 ナトリウムイオン電池の負極としては、最も広く使われています。
- どんな構造か：黒鉛より層間隔が広い（0.34 nm超）小さな炭素の層が、ランダムな向きで、乱れた炭素の領域でつながっています。そのすきまには、ガス吸着では測れない「閉孔」があります事実［1］。
- どれだけ蓄えるか：2000年の論文（Stevens と Dahn）は、ハードカーボンへのナトリウムの可逆容量300 mAh/gを報告しました事実［4］。現在の報告値は、ロードマップによれば、コイン形の半電池で200〜450 mAh/g、文献の多くは平均約300 mAh/gです事実［1］。
- 何が難しいか：ナトリウムがどこにどう入るかの機構には今も複数の説があり、構造と性能の関係を一つの式にできません事実［1・2］。
ハードカーボンは「物質の名前」ではなく、「前駆体と焼成条件で決まる微細構造の集まり」です。 2025年の総説は、ハードカーボンはアモルファスで複雑な微細構造のため、再現性に限りがあり、構造と性能の対応づけが難しいと述べています事実［2］。 素材メーカーにとっては、「何Wh/kgか」より先に「何から、何度で、どう作ったか」を示せることが、材料として語る入口になります（本記事による解説）。
2. 構造 ― 乱層構造と閉孔
(1) 黒鉛、ソフトカーボン、ハードカーボン
炭素を高温で処理したとき、黒鉛になりやすい炭素（易黒鉛化性、ソフトカーボン）と、ならない炭素（難黒鉛化性、ハードカーボン）があります。 1951年の Franklin の研究は、1000〜3000℃で処理した由来の違う炭素を調べ、両者がはっきり分かれた二つの種類であること、その違いは炭化の最初の段階から現れることを示しました。 難黒鉛化性の炭素では、低温の段階で結晶子（小さな炭素の層の集まり）どうしをつなぐ強い架橋ができ、結晶子がランダムな向きのまま硬く、細かな孔のある塊になります。 易黒鉛化性の炭素では架橋が弱く、隣り合う結晶子が平行に並びやすく、構造は緻密になります事実［3］。
元のSVG模式図と正確な説明を見る
(2) 乱層構造と閉孔
ロードマップは、ハードカーボンを「黒鉛よりも層間隔が大きい（0.34 nm超）、ランダムに配向した黒鉛様の領域が、乱れた炭素の領域でつながった構造」と説明しています。 その領域のあいだには「閉じた」細孔があり、ガス吸着では調べられません。黒鉛様の結晶子が大きいほど、そのあいだの細孔も大きいとされています。 さらに、残った異原子（主に酸素を含む官能基）や、層の湾曲・端の部位が含まれます事実［1］。 Bommier らは、層間への挿入が起こる領域を「乱層（turbostratic）ナノドメイン」と呼んでいます事実［5］。
一方で、厳密な構造は今も不明です。ロードマップは、構造は前駆体と炭化条件に依存して、層間隔、結晶子の大きさ、細孔の領域、端の終端が違うものになる、と述べています事実［1］。
3. ナトリウム貯蔵の機構 ― 吸着・挿入・細孔充填
ナトリウムをハードカーボンに入れていくと、電位は二つの領域で変わります。ロードマップによれば、1 Vから0.1 Vのあいだの「傾斜域」と、0.1 V（対ナトリウム金属）以下の「平坦域（プラトー）」です事実［1］。
二つの領域で、ナトリウムがどこに、どう入るのか。ロードマップと総説は、次の説を整理しています。
| 説（提案の時期） | 傾斜域 | 平坦域 |
|---|---|---|
| 挿入–充填モデル（「カードの家」モデル） Stevens と Dahn（2000年） | 広がった黒鉛様の領域へのNaの挿入 | 細孔へのNaの充填 |
| 吸着–挿入モデル | 表面・欠陥部位への吸着 | 黒鉛様の層間への挿入 |
| 吸着–充填モデル | 欠陥部位への吸着 | ナノ細孔への充填 |
| 三段階モデル（吸着–挿入–充填） Bommier ら（2015年）が提案 | 欠陥部位への吸着（欠陥との相関が見られた） | まず層間挿入、最後にナノ細孔の充填 |
| ロードマップが「最近の証拠」として挙げる整理 | 吸着と挿入が同時に起こる | 細孔充填 |
すべて事実（ロードマップ［1］の整理、Stevens と Dahn［4］、Bommier ら［5］、総説［2］）。どれが正しいかは、材料によって違いうるとされています。
最近の研究で重視されているのは閉孔への「充填」です。2025年の総説は、閉じた細孔の中に、準金属的なナトリウムのクラスタが高密度で収まることが、平坦域の容量に最も寄与するという見方を示しています事実［2］。 ロードマップも、固体NMRなどで細孔内のナトリウムの金属的な性質を調べた報告に触れています事実［1］。 ただし総説自身が、開孔と閉孔を厳密に区別する科学的な基準が、まだないと述べています事実［2］。
4. 素材技術者の視点①：機構が定まっていないことは、設計指針が定まっていないこと
黒鉛は、層間にリチウムが入る明快な構造（LiC6）を持ち、理論容量372 mAh/gが式から決まります。ハードカーボンにはそれに当たる式がありません。 ロードマップは、リチウム黒鉛の理論値をLiC6の式から計算できるのに対し、ハードカーボンではナトリウムの貯蔵機構が不明で、構造パラメータに依存するため状況が「はるかに複雑」だと述べています事実［1］。
素材技術者にとっての意味は三つあります（本記事による解説）。
- 一つの指標で選べない。層間隔 d002 が0.36〜0.40 nmの擬黒鉛域が平坦域容量の主な源だと考えられていた時期がありますが、d002 や欠陥を制御しても平坦域の活性点が大きく増えなかった、という経緯が総説に書かれています事実［2］。つまり、d002 を広げることだけが目標ではない、ということです。
- 測るもの自体が違う。開孔だけを見るBET比表面積、開孔と閉孔の両方を見るSAXS、層間隔を見るXRDは、それぞれ見ているものが違います（第11章）。一つの測定の結果で「良いハードカーボン」を決められません。
- 評価は「同じ原料の系列」で比べるのが前提。総説は、構造と性能の対応づけは前駆体を揃えた比較研究が重要だと述べています事実［2］。
5. 本稿の計算：細孔体積とプラトー容量の上限、XRD の見え方
(1) 細孔がナトリウムでどれだけ満たせるか
閉孔の中に「準金属的なナトリウム」が入るという見方を前提に、細孔の体積から、プラトー容量の上限を概算します本稿の計算。
前提：細孔内のナトリウムが、金属ナトリウムと同じ密度（0.968 g/cm³、標準的な物性値）で詰まると仮定。ナトリウムの原子量22.990、ファラデー定数 96485 C/mol（26801 mAh/mol）。 このとき、ナトリウム金属1 cm³の容量は 0.968 ÷ 22.990 × 26801 ＝ 約1128 mAh/cm³ です。
実際には、細孔内のナトリウムは金属より低い密度でしか入らない可能性があり、全部の細孔が満たされるとも限りません。総説は、閉孔の体積とプラトー容量の明確な対応づけは難しいと述べています事実［2］。 したがって下の値は「上限の目安」であり、予測値ではありません。
閉孔の体積は、ヘリウムによる比重測定（ピクノメーター）と、黒鉛の真密度2.26 g/cm³を基準にして、V（閉孔）＝ 1/（粒子密度）− 1/2.26 の式で求める方法が使われます事実［2］。 たとえば粒子密度が1.5 g/cm³なら 0.224 cm³/g、1.7 g/cm³なら 0.146 cm³/g です本稿の計算（密度は例示）。 ただし総説は、この方法は基準構造の選び方に左右され、研究によって計算結果が大きく異なると述べています事実［2］。
(2) XRD で層間隔はどう見えるか
層間隔 d002 は、XRD の(002)ピークの位置から、ブラッグの式（2d sinθ ＝ λ）で求めます。Cu Kα1線（λ＝0.15406 nm、標準値）では、次のようになります本稿の計算。
| d002（nm） | 2θ（度、Cu Kα1） | 備考 |
|---|---|---|
| 0.3354 | 26.55 | 黒鉛（標準値） |
| 0.36 | 24.71 | 総説が挙げる範囲（0.36〜0.40 nm）の下端［2］ |
| 0.38 | 23.39 | クラレがKURANODE™の公表値とする値（メーカー公称）［6］ |
| 0.40 | 22.21 | 総説が挙げる範囲の上端［2］ |
計算値は本稿の計算。備考欄のメーカー値・総説の範囲は事実。ハードカーボンの(002)ピークは幅が広いため、実際の d002 の読み取りにはピーク位置の決め方（フィッティング）による誤差が入ります（本記事による解説）。
6. 前駆体 ― バイオマス、樹脂、ピッチ
ハードカーボンの性質は、前駆体の「架橋のしやすさ」で大きく分かれます。総説は、熱硬化性の前駆体（植物由来のバイオマスと樹脂）は、もともと酸素に富み、架橋の網目が出発点から発達しているため、焼成で黒鉛化を制御しやすく、閉孔の多い構造を作りやすい、と述べています事実［2］。 架橋が不十分だと、熱分解でラジカルが激しく放出され、細孔が過剰にできたり、炭素が溶けて元の形を失ったりします事実［2］。
| 分類 | 例 | 公表されている特徴 | 課題 |
|---|---|---|---|
| バイオマス （植物由来） | 木材、竹、デンプン、リグニン、セルロースなど。クラレのKURANODE™は「天然の植物」由来と説明されている［6］ | 豊富で再生可能、環境負荷が小さく、もともと多孔質の構造を持つ。結晶性セルロースは長距離の黒鉛様ドメイン（閉孔の壁）に、ヘミセルロースやリグニンのような非晶成分は過度な黒鉛化の抑制に働く、という整理がある［2］ | 初期の選別が難しい。炭化の前に不純物を取り除く工程が必要で、それは環境に優しくない場合がある［2］。酸・アルカリ処理は容量を増やすことも減らすこともある［2］ |
| 樹脂 （熱硬化性） | フェノール樹脂など | 原料の性質が一定で、合成が単純なため、分子設計に向く［2］ | 高価で、産業化が難しい［2］ |
| ピッチ （熱可塑性） | 石油ピッチ、石炭系（コールタール）ピッチ | 酸素を含む官能基が少なく、加熱で液化して元の形を失いやすい。酸化処理（予備酸化）で液化を抑える方法がある［2］ | 酸化の程度の制御が要る。酸化が強すぎると、無駄な副反応を招く［2］ |
すべて事実（2025年の総説［2］の整理。一般論であり、特定のメーカーの原料・工程を示すものではありません）。
予備酸化の例として、総説は、廃フォームを前駆体にした研究で、250℃で酸化した試料が良好だったのに対し、280℃で酸化した試料は層間隔が広がったものの、望ましくないSEIの形成によって初回効率も可逆容量も下がったと紹介しています事実［2］。 酸化条件の数十度の違いが性能を左右する、という例です。
7. 製造と炭化温度
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(1) 炭化温度がつくる構造の変化
総説は、炭化温度を上げていくときの細孔の変化を、次の段階として整理しています事実［2］。
- 低温：細孔はほとんどが開孔で、電解液にさらされます。傾斜域の容量には寄与しますが、初回効率とプラトー容量は非常に低くなります。
- 中程度の温度：結晶子の層のすきまが一部縮み、「準閉孔」ができます。まず大きいN2が入れなくなり、次に小さいCO2も検出されなくなります。電解液の一部が入れなくなり、傾斜域の容量の一部がプラトー容量に変わっていきます。
- さらに高温（前駆体によって決まる臨界温度を超える）：閉孔の一部が、電解液に対しても閉じた「完全閉孔」に変わり、プラトー容量はかえって下がります。
BET 比表面積は、温度を上げると大きく減り、可逆容量は傾斜域中心からプラトー中心に移る、とTitirici らの報告を総説が紹介しています。 また Hasegawa らは、1600℃を超えても比表面積が小さい試料に多くの閉孔が残り、プラトー容量に寄与することを、真密度の測定から示しました事実［2］。 黒鉛化については、総説は、1000℃を超えるとソフトカーボンは結晶子が急速に積み重なって連結する一方、熱硬化性の前駆体は主に微結晶の成長が進み、積み重なりや連結は少ないと説明しています。2000℃の処理後も位相の乱れ（トポロジカル欠陥）は残る、とされています事実［2］。
(2) クラレの公表値
国内の材料メーカーであるクラレは、植物由来のハードカーボン負極材「KURANODE™」を販売しています。製品ページに載る公表値は次のとおりです。
| 項目 | Type 1（高容量タイプ） | Type 2（9 µm）（低吸湿タイプ） | Type 2（5 µm） |
|---|---|---|---|
| 平均粒径 D50（µm） | 9 | 9 | 5 |
| 比表面積 SSA（m²/g） | 4 | 4 | 6 |
| 層間隔 d002（nm） | 0.38 | 0.38 | 0.38 |
すべて事実（クラレ KURANODE™ 製品ページ［6］。クラレの測定による参考値で保証値ではない、と同ページに記載。ナトリウムイオン電池向けの容量・初回効率は、同ページには記載がなく確認できませんでした）。
同社は、KURANODE™について、水系バインダー（SBR/CMC）が使える高い耐湿性、黒鉛より優れた入出力・低温・サイクル性能、従来のハードカーボンに対する費用競争力を挙げ、リチウムイオン電池に加え、リチウムイオンキャパシタとナトリウムイオン電池の負極としても適すると説明しています事実［6・7］（企業の主張）。 この製品がCATLなどの特定のナトリウムイオン電池に使われているかは、確認できませんでした。
8. 素材技術者の視点②：同じ「ハードカーボン」を、ロットで揃えるむずかしさ
ハードカーボンの量産で難しいのは、新しい構造を作ることより、構造を毎回同じにすることです。公表資料から、揃いにくさの原因が三つ読み取れます事実［2］。
- 原料のばらつき。バイオマスは、初期の選別が難しく、組成（結晶性セルロース、ヘミセルロース、リグニンの比）が閉孔の生成を左右します。リグニンを選択的に除去した竹では、熱分解で出るラジカルの量が変わり、閉孔の生成が変わった、という研究が総説に紹介されています。
- 前処理の条件のばらつき。予備酸化は、250℃と280℃で結果が逆転した例のように、数十度の差で性能が変わります（第6章）。
- 炭化の臨界温度が前駆体ごとに違う。臨界温度を超えると、プラトー容量はかえって下がります（第7章）。炉の中の温度の分布が、そのままロット間の差になります。
さらに、使う側が見る数字も重要です。クラレは、粒径D50、比表面積、層間隔 d002 を公表値として載せ、高容量タイプと低吸湿タイプを分けています［6］。 CATL は、ナトリウムイオン電池の量産で解決した障害の一つに「ハードカーボンでのガス発生」を挙げています事実［8］（企業の主張。原因や対策の中身は同リリースには書かれていません）。 本記事の解説として、ハードカーボンが表面に酸素を含む官能基を残すこと（ロードマップ［1］）と、開孔があること、そこに水分が吸着しやすいと考えられることを踏まえると、含水率・比表面積・官能基量が、ガス発生の管理項目になる可能性があります（推測。CATLの記述からは確認できません）。
素材メーカーが電池メーカーに示すべき仕様は、粒径や比表面積に加えて、焼成条件（最高温度・雰囲気・昇温）、層間隔、含水率、灰分・不純物、ロット間の標準偏差になるでしょう（本記事による解説。具体的な規格値は、本稿の調査範囲では公開された一次情報で確認できませんでした）。
9. 初回効率と容量のトレードオフ
(1) なぜ初回効率が問題になるのか
初回クーロン効率（ICE）は、最初の充電（ナトリウムを入れる）に対して、最初の放電（取り出す）で戻ってくる割合です。戻らなかった分は、ナトリウムが電解液の分解物（SEI）になったり、材料の中に捕まったりして失われます。 総説は、開孔の大きな表面積が大量のSEIを作り、初回効率とサイクル安定性を下げること、また一部の欠陥は結合エネルギーが強すぎて、ナトリウムを不可逆に捕まえてしまうことを述べています事実［2］。
ナトリウムイオン電池の全電池では、負極に入れるナトリウムは正極が持っているものだけです。ロードマップは、合金・変換系の負極について、大きな初回の不可逆容量を補うために正極を大きく余らせる必要があると述べています事実［1］。ハードカーボンにも同じ構図が当てはまります（本記事による解説）。
負極の可逆容量が300 mAh/g、正極が最初の充電で出せる容量が130 mAh/g（ポリアニオン系の例）だと仮定します。1 Ahの容量を繰り返し使うのに必要な活物質の重さを、初回効率ごとに計算します本稿の計算。
前提：負極の重さ＝1 Ah ÷ 0.300 Ah/g ＝ 3.33 g（初回効率によらず一定）。正極は、最初の充電で負極に（1 ÷ 初回効率）Ahのナトリウムを供給する必要があるとして、正極の重さ＝（1 ÷ 初回効率）÷ 0.130 Ah/g。集電体・導電助剤・バインダー・電解液・外装、正極自身の効率は無視した、活物質のみの値です。
| 負極の初回効率 | 負極の重さ（g/Ah） | 正極の重さ（g/Ah） | 活物質の合計（g/Ah） | 100%のときとの差 |
|---|---|---|---|---|
| 100%（理想） | 3.33 | 7.69 | 11.03 | ― |
| 90% | 3.33 | 8.55 | 11.88 | ＋8% |
| 80% | 3.33 | 9.62 | 12.95 | ＋17% |
| 70% | 3.33 | 10.99 | 14.32 | ＋30% |
本稿の計算（仮定：負極300 mAh/g、正極130 mAh/g）。活物質のみの値で、セルの重さ・エネルギー密度ではありません。
初回効率が90%から80%に下がるだけで、同じ容量を取り出すための活物質は約9%増えます（12.95 ÷ 11.88 ＝ 1.09）本稿の計算。 この計算は、「ハードカーボンの容量を増やす」以上に「初回効率を上げる」ことが、全電池の重さに効く場合があることを示します。正極と負極の容量の組み合わせが違えば、数字は変わります。
(2) 容量と初回効率は、単純に反比例するのか
総説の表1に載る15件の研究室値（図7）を見ると、容量が大きいことと初回効率が高いことは、単純な反比例の関係ではありません。 初回効率が90%を超えるのに総容量が450 mAh/g前後の例（番号2、9）がある一方、総容量が500 mAh/g前後の例（番号10、14）は初回効率が77.6%、82.3%でした事実［2］。
| 番号 | 前駆体／処理 | 初回効率（%） | 総容量（mAh/g） |
|---|---|---|---|
| 1 | バイオ油／酸化 | 90.5 | 347.3 |
| 2 | 胞子／酸化 | 90.23 | 453.75 |
| 3 | フェノール樹脂／水熱処理 | 71.6 | 372.7 |
| 4 | コーンスターチ／エステル化 | 90.9 | 378 |
| 5 | フェノール樹脂／分子設計 | 88.5 | 340.3 |
| 6 | 竹／成分最適化 | 92 | 422 |
| 7 | デンプン／CO2による造孔 | 90.56 | 487.6 |
| 8 | 紙タオル／Mn造孔 | 92.5 | 336.8 |
| 9 | グルコン酸亜鉛／自己鋳型造孔 | 91.7 | 464 |
| 10 | フェノール樹脂／ZnO鋳型造孔 | 77.63 | 501 |
| 11 | ポリアクリロニトリル／PEG造孔 | 73.7 | 365.4 |
| 12 | リグニン／CDs造孔 | 78.09 | 368.9 |
| 13 | フェノール樹脂／ソフトカーボン被覆 | 74.8 | 359.8 |
| 14 | 活性炭／CVD | 82.32 | 524 |
| 15 | フェノール樹脂／二段階炭化 | 83 | 351 |
すべて事実（2025年の総説［2］の表1の記載。電流密度は20〜50 mA/g）。総説が引用する各論文の原典は、本稿では確認していません。
ここから読めること（本記事による解説）は、次の三つです。
- 両立した例は報告されています。初回効率90%超で総容量が400 mAh/gを超える例が、表の中に複数あります（番号2、6、7、9）。ただしこれらは、酸化処理、孔形成、特殊な前駆体など、手のこんだ処理を施した研究室の試料です。
- 処理の種類で結果が大きく変わります。同じフェノール樹脂でも、水熱処理（71.6%）、二段階炭化（83%）、分子設計（88.5%）と、初回効率は十数ポイント違います。
- それでも、容量が最も大きい例が高い初回効率を持つとは限りません。総容量500 mAh/g前後の2例（番号10、14）は初回効率が80%前後以下でした。一方、488 mAh/gで90.6%の例（番号7）もあります。この15件は系統的に選んだ集合ではないため、一般的な法則とは言えません。
トレードオフの物理的な理由は、炭化温度の節（図5）にあります。低温で炭化すると、開孔と欠陥が多くて傾斜域の容量は出ても、SEIの形成で初回効率が低くなります。 温度を上げると、開孔が減って初回効率が上がり、閉孔が増えてプラトー容量が出ますが、臨界温度を超えると完全閉孔が増えてプラトー容量が下がります事実［2］。 つまり、初回効率が最大になる温度と、容量が最大になる温度は一致するとは限りません。
10. コスト
ロードマップは、ハードカーボンが他の負極材料に勝ち続けているとしながら、そのコストは黒鉛よりかなり高いと述べています。 同じ段落で、黒鉛の価格は1トンあたり500〜2000米ドルで、ハードカーボンの一般的な前駆体（セルロースやスクロースなど）の価格と同程度だとも記しています事実［1］。 ここで、前駆体の価格が同程度なのに、なぜハードカーボンのほうが高くなるのかを、簡単な計算で考えます。
セルロース（C6H10O5）とスクロース（C12H22O11）に含まれる炭素の質量の割合は、原子量（C 12.011、H 1.008、O 15.999）から次のとおりです本稿の計算。
- セルロース：72.07 ÷ 162.14 ＝ 44.4%（炭素1 kgあたり前駆体2.25 kg以上）
- スクロース：144.13 ÷ 342.30 ＝ 42.1%（炭素1 kgあたり前駆体2.37 kg以上）
これは、前駆体の炭素がすべて残った場合の理論上の上限です。実際の炭化では、炭素以外が分解して出ていくうえ炭素も一部失われるため、歩留まりはこれより低く、必要な前駆体の量はこれより多くなります（実際の歩留まりは、本稿の調査範囲では公開された一次情報で確認できませんでした）。
たとえば前駆体が1トンあたり500〜2000米ドルなら、理論上限の歩留まりでも、炭素1 kgあたりの前駆体費は1.1〜4.5米ドル（500×2.25〜2000×2.25 ÷ 1000）です。黒鉛の価格（1 kgあたり0.5〜2米ドル）より、前駆体費だけで約2.25倍になります。炉のエネルギー、不純物除去、粉砕・分級の費用は含みません本稿の計算。
この計算は、ハードカーボンの価格が黒鉛より高くなる構造的な理由の一つを示しますが、現在のハードカーボンの実勢価格を示すものではありません（本記事による解説）。 総説は、そのほかのコスト要因として、バイオマスの炭化前の不純物除去が環境に優しくないこと、二段階の炭化が時間とエネルギーを増やすこと、樹脂系の前駆体が高価で産業化が難しいことを挙げています事実［2］。 クラレは、KURANODE™が従来のハードカーボンに対して費用競争力があると述べています事実［6］（企業の主張。価格は記載なし）。 ハードカーボンの実勢価格（$/kg）は、公的機関の統計や公開資料で確認できませんでした（確認できなかった項目）。
11. 物性評価 ― XRD・SAXS・BET
ハードカーボンの評価で難しいのは、測る手法ごとに、見えている構造が違うことです。ロードマップは、構造と性能を結びつけるには、複数の手法を組み合わせる必要があると述べています事実［1］。
| 手法 | わかること | 限界 |
|---|---|---|
| XRD | 層間隔 d002、結晶子の積み重なりの大きさ（Lc）、面内の大きさ（La）。ロードマップは、層間隔の評価にXRDを挙げる［1］ | ハードカーボンの(002)ピークは広く、平均値しか得られない。総説は、多くの特性評価が平均値に依存し、分布を表せないと述べる［2］ |
| ラマン分光 | 欠陥・乱れ（Dバンド、Gバンドの比など）。ロードマップは、欠陥の評価にラマン分光を挙げる［1］ | 平均的な乱れの指標で、細孔の種類は区別できない（本記事による解説） |
| ガス吸着（BET、N2・CO2） | 開孔の比表面積・細孔径分布。N2は入口が約0.5 nm超の細孔、CO2は入口が約0.35 nm超の細孔まで［2］ | 閉孔は測れない（ロードマップ［1］）。クラレの公表値は比表面積4〜6 m²/g［6］で、これは開孔の指標であり、閉孔に蓄えられる容量を示さない（本記事による解説） |
| SAXS（小角X線散乱） | 開孔・閉孔の両方を含む、ナノ細孔の平均的な大きさ。0.1 Å⁻¹付近の肩状のピークが周期的に並んだナノ細孔に対応［2］ | 解析モデルの仮定に依存する。測定は特別な装置を要する（本記事による解説） |
| ヘリウム置換法（真密度） | 粒子密度から、閉孔の体積を逆算（基準は黒鉛2.26 g/cm³）［2］ | 基準構造の選び方で結果が大きく変わる。研究間でV（閉孔）の値が大きく違う［2］ |
| 固体NMR（23Na） | 細孔内のナトリウムが準金属的かどうか。総説は、ナトリウム化した試料のピークが高周波数側へ移ることを、閉孔の充填の指標として紹介［2］ | 特別な装置と、解釈の合意が要る（本記事による解説） |
| その場（operando）測定 | 充放電中のXRD・SAXS・ラマン・NMR・XPSなどで、層間隔や細孔・化学状態の変化を追う［1］ | 研究用の測定で、量産の品質管理に直結しない（本記事による解説） |
表のうち［1］［2］［6］を付けた記述は事実（出典の記述）。付けていない記述は本記事による解説です。
ロードマップは、最良のハードカーボンを比べるためのベンチマーク化と、国際的な標準プロトコルの整備が望ましいと述べています事実［1］。 評価法が揃っていないため、論文や資料の「容量」「初回効率」を並べても、直接は比べられません。必ず、半電池か全電池か、電流密度、電圧範囲、温度、電解液を確認してください（本記事による解説）。
12. 課題
- 機構が定まっていない。どの説がどの材料に当てはまるのか、材料によって違いうるのか、確定していません［1・2］。設計指針が一つにならない原因です。
- 開孔と閉孔の区別に科学的な基準がない。総説が述べるとおり、閉孔のはっきりした定義と、開孔から閉孔への変化過程の体系的な説明が不足しています［2］。
- 初回効率と容量の両立。研究室では両立した例があるものの、手の込んだ処理が要り、量産での再現は本稿の調査では確認できていません。全電池の重さには初回効率が効きます（第9章）。
- ロット間の再現性。アモルファスで、前駆体・前処理・炭化の条件に敏感なため、再現性に限りがあります［2］。
- 前駆体の選別と不純物除去、コスト。バイオマスの初期選別が難しく、前処理に環境負荷がかかります。ハードカーボンのコストは黒鉛よりかなり高いと述べられています［1・2］。
- 水分とガス発生。CATL が、量産で解決した障害の一つに挙げる課題です［8］。原因と対策は公表されていません。
- 評価の標準化。測定条件が揃っておらず、国際標準も整っていません［1］。
- ハードカーボンは、前駆体と焼成条件で決まる微細構造です。結晶子がランダムな向きで、強い架橋により黒鉛にならず、硬くて細かな孔のある塊になります事実
- ナトリウムの貯蔵は、傾斜域（約1〜0.1 V）と平坦域（0.1 V以下）の二つに分かれますが、機構には複数の説があります。近年は閉孔への充填が重視されています事実
- 実測容量は半電池で200〜450 mAh/g、平均約300 mAh/gです。閉孔を金属ナトリウムの密度で満たした場合の上限は、閉孔体積1 cm³/gあたり約1128 mAh/gと計算できます本稿の計算
- 炭化温度を上げると、開孔が減って初回効率が上がり、閉孔が増えます。臨界温度を超えるとプラトー容量は下がります事実
- 初回効率が90%から80%に下がると、同じ容量に必要な活物質は約9%増えます（負極300 mAh/g、正極130 mAh/gの仮定）本稿の計算
- コストは黒鉛よりかなり高いと述べられています。前駆体の炭素含有率から、前駆体費だけで炭素1 kgあたり2.25倍以上になります本稿の計算。実勢価格は確認できませんでした
- XRD、BET、SAXS、真密度は、それぞれ違う構造を見ています。一つの測定で良し悪しは決められません
13. 評価・標準の読み方
初めて読むときは、「どの数字が大きいか」より先に、次の順番で比較の条件を揃えてください。以下は本記事の編集上の確認手順で、規格が定める合格値や試験条件ではありません。
- ① 何を測ったか
- 初回効率、可逆容量、低電位域の容量。単位と、材料・部品・完成システムのどこを測った値かを確認します。
- ② どの条件か
- 前駆体、熱処理、粒子・電極構造、電解液、対極。条件が異なる結果は、まず別の結果として読みます。
- ③ 比較で間違えやすい点
- 金属Naを対極にした半電池の容量を、そのまま正極と組んだセルへ移さない
- ④ 規格の役割は何か
- 規格番号・名称・発行年・適用範囲を発行機関の資料で確認します。試験方法、安全性、相互接続、管理体制のどれを扱う規格かを分けて読みます。規格名の記載だけで、試験実施・適合・認証まで済んでいるとは判断しません。
比較を始めるためのメモ：対象／単位／測定条件／試料数とばらつき／比較対象／規格の版／確認できない点を、ひとまとまりで残しましょう。公開概要しか確認できない規格の数値条件や合格基準は、推測して補いません。
14. 用語集
- ハードカーボン（難黒鉛化性炭素）
- 高温でも黒鉛にならない炭素。結晶子がランダムな向きで固まる。
- ソフトカーボン（易黒鉛化性炭素）
- 加熱で黒鉛構造に近づきやすい炭素。
- 乱層構造
- 炭素の層が積み重なる向きや位置が揃わない構造。
- d002（層間隔）
- XRDの(002)ピークから求める、炭素の層のあいだの距離。
- 開孔・閉孔
- ガスが入れる細孔と、入れない細孔。入口の幅で分けて考えられる。
- 傾斜域・平坦域（プラトー）
- 挿入曲線の、電位が徐々に下がる領域と、ほぼ一定の領域。
- 準金属的なNaクラスタ
- 閉孔の中に入ったナトリウムが、金属に近い状態で集まったもの。NMRで調べられる。
- 初回クーロン効率（ICE）
- 最初の充電に対する最初の放電の容量の割合。
- SEI
- 電極表面に電解液の分解物がつくる被膜。
- BET比表面積
- ガス吸着から求める、開孔を含む表面積。
- SAXS
- 小角X線散乱。ナノ細孔の大きさなどを調べる。
- 架橋
- 高分子の鎖どうしがつながって網目になること。ハードカーボンの前駆体の性質を決める。
15. 参考資料（一次情報）
- Tapia-Ruiz ら（Faraday Institution の NEXGENNA コンソーシアムほか）"2021 roadmap for sodium-ion batteries," Journal of Physics: Energy 3, 031503 (2021)（オープンアクセス、英語） — doi.org/10.1088/2515-7655/ac01ef
- Gan ら（中南大学）"Comprehensive Understanding of Closed Pores in Hard Carbon Anode for High-Energy Sodium-Ion Batteries," Nano-Micro Letters 17, 325 (2025)（オープンアクセス、英語） — doi.org/10.1007/s40820-025-01833-x
- Franklin"Crystallite growth in graphitizing and non-graphitizing carbons," Proceedings of the Royal Society A 209, 196–218 (1951)（抄録を確認） — doi.org/10.1098/rspa.1951.0197
- Stevens, Dahn"High Capacity Anode Materials for Rechargeable Sodium-Ion Batteries," Journal of The Electrochemical Society 147, 1271 (2000)（抄録を確認） — doi.org/10.1149/1.1393348
- Bommier, Surta, Dolgos, Ji"New Mechanistic Insights on Na-Ion Storage in Nongraphitizable Carbon," Nano Letters 15, 5888–5892 (2015)（抄録を確認） — doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01969
- クラレ（環境ソリューション事業部）"Bio Hard Carbon Anode Material for Lithium-ion Batteries | KURANODE™"（製品ページ、英語。グレード別の公表値を含む） — carbon-solutions.kuraray.com
- クラレ"KURANODE™"（製品一覧ページ、英語） — kuraray.com
- CATL"CATL Unveils Six Major Innovations: Multi-Chemistry Systems to Redefine New Energy Mobility Experience," 2026年4月21日（英語） — catl.com
16. 主張と出典の対応表（監査）
| 本文の主張 | 根拠 | 区分 |
|---|---|---|
| ハードカーボンは酸素に富む前駆体から作られ、炭化温度を上げても黒鉛にならない。黒鉛様の領域は層間隔0.34 nm超でランダムに配向し、乱れた炭素の領域でつながる。領域のあいだに閉じた細孔（ガス吸着で調べられない）がある。結晶子が大きいほど細孔も大きい。残った異原子（主に酸素を含む官能基）がある。厳密な構造は前駆体と炭化条件に依存し不明。傾斜域は1〜0.1 V、平坦域は0.1 V以下。実測容量200〜450 mAh/g（平均約300）で、黒鉛372 mAh/gと対比。ナトリウムの貯蔵機構の諸説（挿入–充填、吸着–挿入、吸着–充填、三段階、吸着と挿入の同時進行＋細孔充填）。固体NMRなどによる細孔内の金属的なNaの調査。XRD・ラマン・XPS・SAXS・ガス吸着などの併用。ハードカーボンのコストは黒鉛よりかなり高く、黒鉛は500〜2000米ドル/トンで前駆体と同程度。合金・変換系の大きな初回不可逆容量を補う正極の余剰。ベンチマーク化と国際標準プロトコルの整備が望ましいこと。ナトリウム電池でのめっきやデンドライトの起こりやすさ | 2021 roadmap for sodium-ion batteries（第2章・第7章）［参考資料 1］https://doi.org/10.1088/2515-7655/ac01ef | 事実 |
| ハードカーボンはアモルファスで再現性に限りがあること。開孔と閉孔を区別する厳密な基準が無いこと。閉孔の準金属的なNaクラスタが平坦域容量に最も寄与するという見方。d002 0.36〜0.40 nmの擬黒鉛域が平坦域の源と考えられた経緯、制御しても平坦域の活性点が増えなかったこと。炭化温度による変化（低温は開孔、中温は準閉孔、臨界温度超は完全閉孔、プラトー容量は低下）。BET比表面積が温度で大きく減り、容量が傾斜域中心からプラトー中心へ移ること。1600℃超でも閉孔が残ること。1000℃超でのソフトカーボンとの違い。熱分解の大半が約600℃まで。2000℃でも位相欠陥が残る。N2・CO2・Heのプローブの大きさと入口幅（0.5 nm・0.35 nm）。SAXSの0.1 Å⁻¹付近の肩状ピーク。真密度による閉孔体積の式（基準2.26 g/cm³）とその不確かさ。開孔の大きな表面積がSEIを増やし、ICEとサイクル安定性を下げること。強すぎる結合の欠陥がNaを捕まえること。バイオマス・樹脂・ピッチの特徴（初期選別の難しさ、不純物除去、樹脂は高価、ピッチは酸化処理が要る）。予備酸化250℃と280℃の結果。二段階炭化が時間とエネルギーを増やすこと。表1の15件の初回効率・総容量・電流密度。同じ原料の系列で比べる必要。閉孔体積とプラトー容量の対応づけの難しさ | Gan ら 2025（総説）［参考資料 2］https://doi.org/10.1007/s40820-025-01833-x | 事実 |
| 由来の違う炭素を1000〜3000℃で処理した研究で、易黒鉛化性と難黒鉛化性が二つのはっきり分かれた種類であること。難黒鉛化性の炭素では、低温で結晶子をつなぐ強い架橋ができ、結晶子がランダムな向きのまま硬く細かな孔のある塊になること。易黒鉛化性では架橋が弱く、隣り合う結晶子が平行に並びやすく緻密になること | Franklin 1951（抄録）［参考資料 3］https://doi.org/10.1098/rspa.1951.0197 | 事実 |
| ハードカーボンへのナトリウムの可逆容量300 mAh/gの報告と、リチウム挿入との類似の機構 | Stevens, Dahn 2000（抄録）［参考資料 4］https://doi.org/10.1149/1.1393348 | 事実 |
| 「カードの家」モデルの説明（乱層ナノドメイン間への挿入の後に細孔充填）、ナノドメインの大きさを変えて試験した結果が構造欠陥との相関を示したこと、欠陥部位への貯蔵・層間挿入・細孔充填の三段階の提案 | Bommier ら 2015（抄録）［参考資料 5］https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01969 | 事実 |
| KURANODE™のグレード別の公表値（D50 9・9・5 µm、SSA 4・4・6 m²/g、d002 0.38 nm）、Type 1が高容量タイプ・Type 2が低吸湿タイプであること、測定はクラレ、参考値で保証値ではないこと。植物由来、水系バインダー（SBR/CMC）が使える耐湿性、黒鉛より優れた入出力・低温・サイクル性能、従来のハードカーボンに対する費用競争力、リチウムイオン電池・リチウムイオンキャパシタ・ナトリウムイオン電池の負極に適するとの説明 | クラレ KURANODE™ 製品ページ［参考資料 6］https://carbon-solutions.kuraray.com/en/kuranode/［参考資料 7］https://www.kuraray.com/global-en/products/kuranode/ | 事実（企業の主張） |
| CATLが、ナトリウムイオン電池の量産で解決した障害として「水分の極端な制御」「ハードカーボンでのガス発生」「アルミ箔の密着」「自己形成負極」を挙げたこと（具体的な中身の記載はなし） | CATL 2026年4月21日［参考資料 8］https://www.catl.com/en/news/6811.html | 事実（企業の主張） |
| 閉孔体積からプラトー容量の上限を概算（金属Naの密度0.968 g/cm³で満たすと仮定、1 cm³あたり約1128 mAh、0.05〜0.25 cm³/gで56〜282 mAh/g）。閉孔体積の式V＝1/ρ−1/2.26の数値例（ρ＝1.5で0.224、1.7で0.146 cm³/g） | 本稿の計算。Naの密度と原子量22.990、ファラデー定数（26801 mAh/mol）が前提で、細孔体積と粒子密度は例示。上限の目安であり、予測値ではない | 本稿の計算 |
| d002とブラッグの式による2θの換算（Cu Kα1線 0.15406 nm：0.3354→26.55°、0.36→24.71°、0.38→23.39°、0.40→22.21°） | 本稿の計算。波長と黒鉛のd002（0.3354 nm）は標準値 | 本稿の計算 |
| 初回効率による活物質の重さの変化（100%で11.03 g/Ah、90%で11.88、80%で12.95、70%で14.32。90%から80%で約9%増） | 本稿の計算。負極300 mAh/g、正極130 mAh/g、正極が1÷ICEのNaを供給するという仮定の下での、活物質のみの値。セルの重さ・エネルギー密度ではない | 本稿の計算 |
| セルロースの炭素割合44.4%、スクロースの炭素割合42.1%、炭素1 kgあたりの前駆体2.25 kg以上・2.37 kg以上、前駆体500〜2000米ドル/トンのときの前駆体費1.1〜4.5米ドル/kg（炭素） | 本稿の計算。原子量（C 12.011、H 1.008、O 15.999）と、前駆体の炭素がすべて残る理論上限の仮定。実際の歩留まりは低い。前駆体価格の範囲はロードマップの記述［参考資料 1］による | 本稿の計算 |
| ハードカーボンのナトリウム向けの容量・初回効率のクラレの公表値、CATLなどの特定の電池での採用、炭化の具体的な温度・時間・歩留まり、ハードカーボンの実勢価格（$/kg）、各社の規格値、ガス発生の原因 | 本稿の調査範囲では公開された一次情報に確認できなかったため記載していない | 解説 |
| 「ハードカーボンの含水率・比表面積・官能基量がガス発生の管理項目になる可能性」という読み取り | 推測。CATLの記述からは確認できない。ハードカーボンが酸素を含む官能基を残すこと（ロードマップ）と開孔の存在からの本記事の解説 | 解説 |
| 機構が定まっていないことが設計指針の欠如を意味するという整理、素材メーカーが示すべき仕様の項目（焼成条件・層間隔・含水率・灰分・ロット間の標準偏差）、初回効率が全電池の重さに効く場合があるという読み取り、図7の15件から言えること・言えないことの整理、評価手法の限界の整理（表の一部） | 公表内容にもとづく本記事の整理・解説。各社・各機関が表明した見解ではない | 解説 |
| 図1・図2・図3・図4・図5・図7・図8が実際の構造・曲線・測定結果ではなく説明のための作図であること。ヒーロー画像と図6がAI生成イメージであること | 本記事による注記 | 解説 |
最終更新：2026年10月10日／出典は一次情報（査読論文、オープンアクセスの総説・ロードマップ、企業の公式製品ページ・ニュースリリース）に限定しています。 企業の資料の値は「企業の公表値・主張」として区別しています。構造の整理や材料設計上の読み取りを含むため、それらは「解説」として出典付きの事実と区別しています。 ナトリウムイオン電池向けの KURANODE™ の容量・初回効率、CATL など特定の電池での採用、炭化の具体的な温度・時間・歩留まり、ハードカーボンの実勢価格、ガス発生の原因については、公開された一次情報で確認できなかったため記載していません。 図7の散布図は総説の表の数値を再掲したもので、原論文は確認していません。 図はすべて説明用の概念図です。図1・図2・図3・図4・図5・図7・図8はベクター作図、ヒーロー画像と図6はAI生成イメージであり、いずれも実際の断面写真・顕微鏡像・測定データ・製品の実物を示すものではありません。