作者与机构

本文由杨翠云和杨成浩撰写，两位作者均来自华南理工大学环境与能源学院。论文发表于《高等学校化学学报》（Chemical Journal of Chinese Universities）2023年第44卷第5期。

主题与背景

本文的主题是钠离子电池（Sodium-Ion Batteries, SIBs）硬炭（Hard Carbon, HC）负极材料的研究进展。钠离子电池因其丰富的钠资源、低廉的成本以及良好的低温性能，被认为是锂离子电池（Lithium-Ion Batteries, LIBs）的重要补充，尤其在储能领域具有广阔的应用前景。然而，钠离子的半径较大，导致其在负极材料中的插层反应面临更大的挑战。硬炭材料因其优异的储钠性能和较低的成本，被认为是钠离子电池负极材料的理想选择之一。

本文从钠离子电池商业化的瓶颈出发，综述了硬炭材料的特性、储钠机理及其功能化设计策略，并对该领域的未来发展和挑战进行了展望。

主要内容

1. 硬炭材料的微观结构与储钠位点

硬炭材料是一种无定型碳材料，具有扩展的碳层间距和复杂的微观结构。其储钠位点主要包括： 1. 表面开放孔吸附储钠：提供放电初始阶段的斜坡容量，具有快速的动力学反应。 2. 类石墨层上的缺陷位点储钠：提供斜坡容量，具有较高的离子扩散率。 3. 类石墨层间的插层储钠：受碳层间距影响，提供平台区域容量。 4. 闭合孔穴填充储钠：提供接近金属钠电位的平台区域容量。

2. 硬炭材料的储钠机理

硬炭的储钠机理尚未完全明确，目前主要有四种模型： 1. “插层-填充”模型：钠离子首先嵌入类石墨层，随后填充孔穴。 2. “吸附-插层”模型：表面或缺陷位点的吸附提供斜坡容量，插层提供平台容量。 3. “吸附-填充”模型：斜坡容量由吸附提供，平台容量由孔穴填充提供。 4. “三阶段”模型：包括吸附、插层和填充三个过程。

3. 硬炭材料功能化设计策略

为实现硬炭材料在钠离子电池中的商业化应用，本文提出了以下优化策略： 1. 形貌设计：通过控制前驱体和合成工艺，优化硬炭的几何形态和多孔结构。 2. 结构调控：通过缺陷工程、孔隙结构调控和层间距优化，提升储钠性能。 3. 表面化学：引入电化学活性官能团或进行化学预吸附，改善电极动力学。

4. 电解液工程

电解液对硬炭负极的性能有重要影响，尤其是固体-电解质界面（SEI）膜的形成和溶剂化结构。通过优化电解液成分和添加剂，可以有效调控SEI膜的组成和结构，从而提高硬炭负极的倍率性能和循环稳定性。

未来发展与挑战

尽管硬炭材料在钠离子电池中展现出巨大的潜力，但仍面临以下挑战： 1. 首次库仑效率（ICE）低：主要由于电解液的不可逆分解和钠离子被缺陷捕获。 2. 倍率性能和循环稳定性不足：硬炭的低导电性和SEI膜的不稳定性限制了其高倍率性能。 3. 结构一致性难以控制：硬炭的微观结构复杂，难以实现精准调控。 4. 振实密度低：影响电池的体积能量密度。

未来研究应重点关注硬炭材料的结构设计、电解液优化以及储钠机理的深入探索，以推动钠离子电池的商业化进程。

论文的价值与意义

本文系统总结了硬炭材料在钠离子电池中的应用现状，提出了功能化设计和电解液优化的策略，为未来研究提供了重要参考。硬炭材料的开发不仅有助于降低钠离子电池的成本，还能缓解锂资源短缺的压力，对新能源行业的可持续发展具有重要意义。

亮点

1. 全面的综述：本文详细介绍了硬炭材料的微观结构、储钠机理及功能化设计策略，涵盖了该领域的最新研究进展。
2. 多角度的优化策略：从形貌设计、结构调控到电解液工程，提出了多种提升硬炭性能的方法。
3. 未来展望：结合当前研究瓶颈，提出了硬炭材料在钠离子电池中的未来发展方向，具有重要的指导意义。

本文通过对硬炭材料的深入研究，为钠离子电池的商业化应用提供了理论依据和技术支持，具有重要的学术价值和实际意义。