本研究的主要作者包括Tie Ma、Dan Li、Chenqi Wang、Ning Liu、Chao Wang、Guangping Wu和Li Guo。研究机构包括中国北方大学化学与化工学院、山西省高效氢存储与生产技术及应用重点实验室、中国北方大学材料科学与工程学院以及武汉船舶电力推进研究所。该研究于2024年9月25日发表在《Carbon》期刊上，文章编号为119663。
随着化石能源的减少和绿色能源需求的增加，钠离子电池（Sodium-Ion Batteries, SIBs）因其低成本、资源丰富以及与锂离子电池相似的物理化学性质，成为储能设备的研究热点之一。然而，钠离子半径较大，导致其扩散动力学较慢，循环寿命较差，因此寻找合适的负极材料成为钠离子电池应用的关键步骤。硬碳（Hard Carbon, HC）因其长循环寿命、高导电性和低成本，被广泛用作钠离子电池的负极材料。然而，硬碳在实际应用中存在容量低和初始库仑效率（Initial Coulombic Efficiency, ICE）低的技术瓶颈。本研究通过铁修饰的氮/硫共掺杂多孔碳材料，解决了硬碳材料在钠离子电池中ICE低的问题。
本研究的主要流程包括样品制备、表征和电化学测试。
通过盐模板法合成了铁修饰的氮/硫共掺杂多孔碳（NSFC）。具体步骤包括：将NaCl、C6H12O6和FeC2O4溶解在去离子水中，搅拌后冷冻干燥得到前驱体，随后加入CH4N2S并进行碳化处理，最终通过洗涤去除NaCl，得到NSFC材料。
通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对NSFC的微观结构和化学状态进行了表征。结果表明，NSFC具有三维网络结构，铁、氮和硫均匀分布在多孔碳中。
组装了CR2025纽扣电池，使用NSFC作为负极材料进行电化学测试。通过循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）和恒电流充放电测试，评估了NSFC的电化学性能。结果表明，NSFC具有高比容量（371.3 mAh/g）和高初始库仑效率（85.9%）。
NSFC材料表现出优异的高比容量和高初始库仑效率。通过铁修饰和氮/硫共掺杂，NSFC材料在电化学反应中形成了稳定的固体电解质界面（SEI）膜，减少了钠离子的消耗，从而提高了初始库仑效率。此外，NSFC材料在高速率充放电条件下仍能保持较高的比容量，表现出优异的倍率性能。
本研究通过铁修饰的氮/硫共掺杂多孔碳材料，成功解决了硬碳材料在钠离子电池中初始库仑效率低的问题。NSFC材料不仅具有高比容量和高初始库仑效率，还表现出优异的倍率性能和循环稳定性。该研究为碳材料的改性研究提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。
本研究还通过非原位XPS测试，进一步验证了铁修饰对SEI膜的催化作用，揭示了铁在电化学反应中的重要作用。此外，NSFC材料在全电池测试中也表现出优异的性能，成功点亮了LED灯板，进一步证明了其实际应用价值。
综上所述，本研究通过铁修饰的氮/硫共掺杂多孔碳材料，成功解决了硬碳材料在钠离子电池中初始库仑效率低的问题，为钠离子电池的负极材料改性提供了新的研究方向。