构效关系视角下的硬碳负极：“微观结构-储钠机制-电化学性能”的关系浅析

一、研究背景

随着可再生能源的快速发展，对大规模储能技术的需求日益迫切。钠离子电池因资源丰富、成本低廉，成为最具潜力的储能技术之一。然而，钠离子较大的质量和半径导致其能量密度较低，对负极材料提出了严峻挑战。

硬碳材料因其独特的结构和优异的储钠性能，成为最具产业化前景的钠离子电池负极材料。硬碳的结构无序复杂，由较有序的类石墨微区和各向同性的无定形碳区域组成“碳-碳复合材料”。这种结构通过扩大的层间距（0.36～0.40 nm）和丰富的孔结构为钠离子的存储和传输提供了理想场所。

硬碳的充放电曲线包含高电位斜坡区和低电位平台区，但其储钠机制，特别是平台区的存储行为，仍存在争议，这在一定程度上限制了钠离子电池的实用化进程。

二、工作简介

该综述首先概述了目前钠离子电池硬碳负极在储钠机理、微观结构认知上的研究进展与关键挑战，对硬碳微观结构和储钠行为的构效关系进行浅析。随后讨论了硬碳普适性储钠机制的研究，并对孔与储钠容量的关系进行预测。最后对硬碳负极未来在钠离子电池产业化进程中所面临的机遇和挑战进行了简要的评述和探讨。

微观结构决定储钠行为。目前，高电位斜坡区的储钠行为已达到共识，普遍认为是钠离子在材料表面和缺陷处的吸附及较大石墨层间（＞ 0.4 nm）的赝吸附。若存在表面杂原子，则会有杂原子官能团的氧化还原储钠反应。而低电位平台区的储钠机制仍存在较大争议，这种争议源于硬碳结构的复杂性。该综述对几种主流微观模型进行探讨，指出孔隙是碳层高温重构的动态产物，而非预先存在的静态结构，同时表明硬碳中的层结构及孔隙结构可能相辅相生，这也显示出硬碳结构的复杂性及相关性。储钠机制影响储钠性能。目前所提出的各类机制仅适用于与其结构相似的特定硬碳体系，缺乏能够统一解释不同结构硬碳储钠行为的普适性理论。曹余良教授团队通过制备两种结构差异显著的硬碳材料，创新性地提出“吸附-嵌入/填充”混合储钠机制，阐明了钠离子在硬碳中的存储并非简单的分步过程，而是多种行为相互交织、协同作用的复杂过程，为不同微观结构的硬碳材料的储钠行为提供一个整体的认识，对指导高性能硬碳材料的设计具有重要意义。最终，电化学储钠性能的结果可反馈并指导微观结构的优化，推动硬碳负极材料的理性设计与性能提升。

总之，结构是机制的基础，机制是性能的蓝图；性能验证结构设计的优劣，并为结构的迭代优化指明方向。三者闭环联动，构成了硬碳负极材料研发的核心循环。

图文摘要

文章信息

LI Jin-ting, SAWUT Nurbiye, ZHAO Yi-chu, LIU Ping, WANG Yan-xia, CAO Yu-liang. Unraveling the relationship of "Microstructure-Mechanism-Performance" of Hard Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries[J]. New Carbon Materials, 2025, 40(4): 860-869.

李金婷, 努尔比耶·撒伍提, 赵一楚, 刘平, 王艳霞, 曹余良.钠离子电池硬碳负极材料的“微观结构-储钠机制-电化学性能”的构效关系浅析[J]. 新型炭材料（中英文），2025, 40(4): 860-869.

DOI: 10.1016/S1872-5805(25)61023-7

团

队

简

介

曹余良，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士生导师，教育部长江学者。主要研究方向是电化学能量储存与转化，内容涉及锂离子电池和钠离子电池体系。曾主持了多项国家项目，包括国家重点研发计划“新能源汽车”领域课题（1项）、973子课题项目(1项)、国家自然科学基金面上项目（4项）和区域重点项目（1项）等。近年来在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy. Mater.、Nano Lett.、Carbon Energy等国际学术期刊上发表SCI论文300余篇，引用超30000余次，h指数为91，ESI高被引论文23篇，5篇论文曾被选为ESI 1‰热点论文，连续五年入选科睿唯安年度“全球高被引科学家”。