【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鈉離子電池是一種面向低成本、中短時、規(guī)模儲能需求最具前景的解決方案，但其硬碳負極制造成本高、容量較低、首次庫倫效率低、動力學(xué)緩慢等問題嚴重制約了鈉離子電池的實際應(yīng)用。高性能硬碳的研發(fā)需要攻克如下問題：一方面，硬碳儲鈉的活性結(jié)構(gòu)仍不明確，嚴重制約了硬碳的結(jié)構(gòu)設(shè)計；另一方面，目前缺少低成本、高儲鈉容量、可宏量制備的硬碳材料。
 

　　針對此，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室的科研人員針對硬碳儲鈉比容量低的問題，通過將N、S、O引入硬碳前驅(qū)體，研究雜原子熱解所構(gòu)建孔結(jié)構(gòu)及其儲鈉行為，開發(fā)了雜原子熱解構(gòu)建儲鈉閉孔的合成策略(圖1)。利用該策略制備的硬碳材料具有豐富的孔(0.5∼0.9 nm)和表面羰基官能團。特殊的孔結(jié)構(gòu)顯著增加平臺容量，而羰基官能團誘導(dǎo)富無機的固體電解質(zhì)界面進而提升了初始庫侖效率。此類硬碳材料同時具有 352.9 mAh/g 的高可逆容量和 88.0%的首次庫倫效率。相關(guān)研究以"Molecular engineering of pore structure/interfacial functional groups toward hard carbon anode in sodium-ion batteries”為題發(fā)表于《Energy Storage Materials》上，第一作者為博士研究生劉雨，通訊作者為朱慧研究員。(Energy Storage Materials,2025,75,104008.)
 

圖1. 雜原子熱解構(gòu)建儲鈉閉孔的合成策略
 

　　硬碳的平臺容量對于實現(xiàn)高能量密度的鈉離子電池至關(guān)重要。然而，高電流密度下極化導(dǎo)致的平臺容量損失對嚴重限制了鈉離子電池技術(shù)的實際應(yīng)用。超微孔可以在高電流密度提供較高的平臺容量，但目前構(gòu)建超微孔的同時常伴隨大量的微孔和介孔結(jié)構(gòu)，嚴重降低儲鈉平臺容量和首次庫倫效率。新疆理化所研發(fā)團隊通過質(zhì)子化介導(dǎo)策略制備了孔徑集中于0.4–0.8 nm的超微孔硬碳(圖2)。研究表明，P雜原子減弱了N和C原子間的相互作用，從而使N以NH3小分子限域熱解，導(dǎo)致具有特定孔徑超微孔的形成。所研發(fā)硬碳具有386 mA h/g的可逆容量，20 mA/g電流密度下173 mA h g 的高平臺容量和2 A/g電流密度106 mAh/g的良好倍率性能。相關(guān)研究成果以“Ultra-micropores of hard carbons for ultrafast Na-ion storage”為題發(fā)表于《Journal of Materials Chemistry A》上，第一作者為新疆師范大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生張虎，通訊作者為殷嬌、尹健研究員。(Small,2025,21,2409116)
 

圖2. 超微孔的構(gòu)建策略
 

　　基于以上研究成果，科研人員以新疆特色準東煤和生物質(zhì)為原料，對儲鈉硬碳產(chǎn)品研發(fā)關(guān)鍵核心技術(shù)進行了科技攻關(guān)。針對煤芳環(huán)π-π堆積的致密結(jié)構(gòu)難以調(diào)控構(gòu)建儲鈉微晶和孔結(jié)構(gòu)的難題，系統(tǒng)分析了不同煤質(zhì)結(jié)構(gòu)，以準東低階高堿煤為原料，充分利用煤中鹽的原位模板活化效應(yīng)和脂肪鏈烴揮發(fā)熱解作用，成功開發(fā)了高可逆容量(340 mAh/g)、高首次庫倫效率(88%)的煤基儲鈉硬碳。相關(guān)研究成果以“Uncovering the Salt‐Controlled Porosity Regulation in Coal-Derived Hard Carbons for Sodium Energy Storage”為題發(fā)表于《small》上，第一作者為新疆大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生吳芮瑤，通訊作者為殷嬌研究員。另一方面，團隊以新疆特色棉稈果木為原料，采用分子水平熱解強化造孔機理，開發(fā)了高倍率的生物質(zhì)基硬碳材料。目前的研究進展不僅對硬碳儲鈉結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究提供了新思路，同時為實現(xiàn)高能量和高功率鈉離子電池提供了新的解決方案。(Journal of Materials Chemistry A,2025)
 

　　以上工作得到了科技部國家重點研發(fā)、國家自然科學(xué)基金面上項目、新疆維吾爾自治區(qū)重點研發(fā)和兩區(qū)項目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會、新疆維吾爾自治區(qū)天山英才和天池人才計劃等項目的資金支持。