南方科技大学卢周广教授AFM：乙酸乙酯蒸汽诱导局域有序化稳定钠电硬碳负极

第一作者：师文君

通讯作者：卢周广*，程化*

单位：南方科技大学，深圳职业技术大学

生物质基硬碳通过多种机制储钠，包括在缺陷处吸附、填充纳米孔隙以及在局部有序的石墨纳米畴内嵌入。这些多尺度的储存位点共同提供了丰富的活性中心和连续的迁移路径，从而实现了高效的钠化过程和良好的界面动力学。然而，缺乏长程有序性阻碍了钠离子的扩散和可逆性，而丰富的缺陷和开放孔隙会催化电解质分解，导致厚的固体电解质界面，并且初始库仑效率较低，约60%-80%。此外，孔隙结构可能会影响电解质的传输，导致材料内部电解质分布不均，从而影响整体电化学性能。寻找容量、首效和倍率性能之间的平衡是发展生物质基硬碳亟待解决的问题。

近日，来自南方科技大学的卢周广教授与深圳职业技术大学的程化教授报道了一种新颖的原位汽相结构工程策略，该策略利用了HC的缺陷位点与乙酸乙酯分解产生的有机自由基之间的协同交联作用，从而构建出独特的局部有序结构。优化后的局部有序结构同时增强了插层形式的钠离子存储，同时抑制了界面副反应，从而最大限度减少了不可逆的钠离子损失。因此，优化后的核桃壳衍生硬碳（Et-WNS）表现出90.1%的优异初始库仑效率、374 mAh/g的可逆容量以及500次循环后的99.5%的容量保持率。采用NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂（NFMO）||Et-WNS材料组装的1.3Ah软包电池，其能量密度可达 142Wh/Kg，并且在120次循环后仍能保持 73%的容量保留率，为硬碳材料设计提供了新思路。

在硬碳（以核桃壳硬碳为例）碳化过程中引入乙酸乙酯蒸汽（C₄H₈O₂），其热解产生的含孤电子的烷基类自由基与硬碳缺陷位点发生协同交联/“修复”作用，构建“局部有序（locally ordered）”纳米结构，从而同时提升容量与初始库仑效率（ICE）。

HRTEM显示，Et-WNS出现更清晰的局部有序晶格条纹、层间距增大。XRD 图中(002)峰位负移，Raman中AD1/AG降低（缺陷减少），EPR缺陷相关信号显著减弱；XPS/FTIR表明sp3向sp2杂化碳的转变与更强的共轭结构。真密度和小角散射结果表明闭孔体积与孔径发生调整（闭孔体积下降、闭孔尺寸变小），但性能反而提升，说明提升主要来自局部有序域与副反应抑制而非“更多闭孔”。

作者认为，乙酸乙酯裂解产生（尤其是甲基等）自由基优先与缺陷碳作用：发生类抽氢、促使边缘sp3向sp2杂化碳重构，并进一步促进碳片段耦合，从而推动局部有序化。

硬碳本身结构十分复杂，已经有大量工作通过调整石墨化程度或造孔来优化其结构与性能，并研究其中的构效关系。原位汽相工程策略一方面为工程化提供了可能，另一方面诱导硬碳形成“局部有序”的亚稳纳米结构，从本征上实现缺陷位点钝化与结构重构，进而构筑更薄致密的SEI并提升动力学与稳定性。这项工作为硬碳的高容量、高ICE与长寿命协同优化提供了新的方向。

Ethyl Acetate Vapor Induced Local Ordering in Hard Carbon for Stable Sodium-Ion Batteries

卢周广教授于2001年获得中南大学学士学位，2004年获得中南大学和清华大学联合培养硕士学位，2009年获得香港城市大学博士学位。于2012年7月加盟南方科技大学，现任材料科学与工程系长聘教授，英国皇家化学会会士，深圳市鹏城学者特聘教授。主要从事电池材料的电化学反应机理和应用开发研究。迄今在Nature Energy和Journal of the American Chemical Society等期刊发表SCI论文200多篇，总他引2万多次，高频H指数82。申请和授权国家发明专利三十多项。获得2022年度深圳市和广东省自然二等奖，2021年开始连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。现任Nano Research和《稀有金属》编委，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长。

师文君，现为南方科技大学硕士研究生，主要研究方向为钠离子电池负极材料。

课题组主页：https://faculty.sustech.edu.cn/luzg/

课题组长期招聘电池材料相关的博士后和硕博士生等各类人才。