【儀表網 研發快訊】鈉離子電池是一種面向低成本、中短時、規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、動力學緩慢等問題嚴重制約了鈉離子電池的實際應用。高性能硬碳的研發需要攻克如下問題：一方面，硬碳儲鈉的活性結構仍不明確，嚴重制約了硬碳的結構設計；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，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術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引入硬碳前驅體，研究雜原子熱解所構建孔結構及其儲鈉行為，開發了雜原子熱解構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。特殊的孔結構顯著增加平臺容量，而羰基官能團誘導富無機的固體電解質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。相關研究以"Molecular engineering of pore structure/interfacial functional groups toward hard carbon anode in sodium-ion batteries”為題發表于《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. 雜原子熱解構建儲鈉閉孔的合成策略
硬碳的平臺容量對于實現高能量密度的鈉離子電池至關重要。然而，高電流密度下極化導致的平臺容量損失對嚴重限制了鈉離子電池技術的實際應用。超微孔可以在高電流密度提供較高的平臺容量，但目前構建超微孔的同時常伴隨大量的微孔和介孔結構，嚴重降低儲鈉平臺容量和首次庫倫效率。新疆理化所研發團隊通過質子化介導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，導致具有特定孔徑超微孔的形成。所研發硬碳具有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。相關研究成果以“Ultra-micropores of hard carbons for ultrafast Na-ion storage”為題發表于《Journal of Materials Chemistry A》上，第一作者為新疆師范大學聯合培養碩士研究生張虎，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為原料，對儲鈉硬碳產品研發關鍵核心技術進行了科技攻關。針對煤芳環π-π堆積的致密結構難以調控構建儲鈉微晶和孔結構的難題，系統分析了不同煤質結構，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和脂肪鏈烴揮發熱解作用，成功開發了高可逆容量(340 mAh/g)、高首次庫倫效率(88%)的煤基儲鈉硬碳。相關研究成果以“Uncovering the Salt‐Controlled Porosity Regulation in Coal-Derived Hard Carbons for Sodium Energy Storage”為題發表于《small》上，第一作者為新疆大學聯合培養碩士研究生吳芮瑤，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，開發了高倍率的生物質基硬碳材料。目前的研究進展不僅對硬碳儲鈉結構的基礎研究提供了新思路，同時為實現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、國家自然科學基金面上項目、新疆維吾爾自治區重點研發和兩區項目、中國科學院青年創新促進會、新疆維吾爾自治區天山英才和天池人才計劃等項目的資金支持。
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