温州大学吴星樵团队EnSM：分子重构技术助力沥青衍生硬碳在高性能钠离子电池中的应用- 大数跨境

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温州大学吴星樵团队EnSM：分子重构技术助力沥青衍生硬碳在高性能钠离子电池中的应用

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2025-09-05

导读：温州大学吴星樵团队EnSM：分子重构技术助力沥青衍生硬碳在高性能钠离子电池中的应用

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文章信息

沥青衍生硬碳阳极通过分子重构实现热力学稳定性与快速钠存储动力学平衡，适用于高性能钠离子电池

第一作者：李闯闯

通讯作者：王佳兆*，侴术雷*，吴星樵*

单位：温州大学

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研究背景

与生物质衍生的硬碳相比，沥青因其资源丰富、成本低廉且碳收率高于生物质前驱体，成为制备SIB负极材料最具前景的前驱体。然而，沥青中芳香环间的强π-π相互作用、氢键及烷基链通常导致其衍生的碳材料在高温碳化后呈现高度石墨化特征，这对构建热力学稳定的钠储存位点具有致命影响。为解决沥青直接高温碳化导致的硬碳钠储存性能不足问题，研究者提出利用分子重构增强交联来提升钠储存容量的策略。这些方法通常能提升低电位平台容量，但钠离子存储动力学迟缓会加剧其与高电位斜坡容量相关的快速充电性能问题。然而持续增加斜坡容量将导致库仑效率（ICE）不佳且热力学钠存储位点不足。因此，如何平衡快速钠存储动力学与稳定热力学钠存储位点的关系仍是重大挑战。该研究通过对不同预氧化程度的沥青前驱体进行碳化处理，系统地揭示分子重构与碳化温度对微观结构演变的关键影响，提取了决定钠离子存储动力学和扩散动力学的关键参数。通过协同调控分子重构-碳化耦合过程，实现了Na⁺ 储钠动力学与热力学实现协同调，为优化钠离子存储行为、构建高性能碳负极提供了全面认识。

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文章简介

近日，温州大学吴星樵博士、王佳兆教授、侴术雷教授在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Molecular Reconfiguration of Pitch-Derived Hard Carbon Anodes with Balanced Thermodynamic Stability and Rapid Sodium Storage Kinetics for High-Performance Sodium-Ion Batteries”的研究论文。该研究采用预氧化工程实现对沥青前驱体的分子重构，再通过进一步碳化制备出沥青衍生硬碳。对不同条件下制备硬碳的微观结构演变的系统研究表明：随着碳化温度升高，预氧化程度对结构转化的影响逐渐减弱。此外，对特殊结构的沥青衍生硬碳的原位分析发现结构缺陷是影响扩散动力学的主要因素，而层间距与孔道结构主导储能热力学特性。研究发现插层行为兼具扩散动力学与储能热力学的双重优势。经精密调控、以插层机制为主导的硬碳，实现了钠离子储存热力学与扩散动力学的最优平衡，从而同时满足高能量密度与卓越快充性能的要求。该研究论文提供的方法可成功实现规模化生产，为生产用于提升钠离子电池性能的沥青衍生硬碳阳极提供了重要启示。

图1. 分子重构-碳化耦合调控制备的沥青衍生硬碳及受结构影响的储钠行为示意图。

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本文要点

要点一：全面的结构演变分析

图2. 合成过程的示意图（左）以及所有样品的微晶结构特征（右），Ⅰ-Ⅲ）PHC-800、PHC-1100、PHC-1600 的高分辨率透射电子显微镜图像，Ⅳ-Ⅵ）PHC-A-800、PHC-A-1100、PHC-A-1600，以及Ⅶ-Ⅸ）PHC-B-800、PHC-B-1100、PHC-B-1600。

通过对分子重构-碳化耦合调控制备的沥青衍生硬碳进行多模式表征，该研究阐明了温度依赖性的结构演变路径。一个关键的转变阈值被确认，在此阈值处，主导结构演变的决定因素从氧化深度转变为碳化温度，从根本上改变了非晶碳的微观结构。

要点二：决定储钠特性的关键描述符被锚定

图3. 钠存储行为分析：（a-b）在 PHC-800/PHC-A-1100/PHC-B-1600 的放电/充电过程中出现的 D 带和 G 带的原位拉曼图谱，（c）三个电极放电曲线的放大图（上为标准化放电容量，下为对应的微分曲线），（d）GITT 曲线，（e）在不同条件下合成的由木质素衍生的碳的微观结构和钠存储机制的示意图。

对具有不同钠储存特性的非晶态碳进行比较分析后发现，缺陷介导的过程对于快速扩散动力学至关重要，而插层和孔隙填充机制则能提供热力学稳定的存储位点。尤为重要的是，可逆插层能够同时优化动力学和热力学性能。

要点三：可扩展性与规模化生产验证

图4. 全电池的电化学特性：（a）PHC-800/PHC-A-1100/PHC-B-1600 的充放电曲线，（b）倍率性能和（e）在 150 mA g^-1 条件下的循环行为，（d-e）PHC-A-1100//PB 袋式全电池的充放电曲线和倍率性能，（f）18650 圆柱电池的制造工艺，18650 圆柱电池的电化学特性：（g）充放电曲线，（h1 C 条件下的循环行为。

所开发的非晶碳合成技术通过成功实现公斤级生产，证明了其在工业上的可行性。此外，采用这种阳极材料的 18650 圆柱形全电池表现出了卓越的性能指标。

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总结

该研究通过预氧化工程实现沥青前驱体的梯度分子重构，并结合可控碳化温度制备出适用于SIB的硬碳碳负极材料。在不同加工条件下对微观结构演变的系统阐释表明：分子重构从根本上改变了碳化路径，而主导结构的决定因素在高温条件下（1600℃）从预氧化深度转变为碳化温度。通过对比分析三种碳化物（PHC-800、PHC-A-1100、PHC-B-1600）的钠储存行为，识别出主导储存热力学与扩散动力学的关键指标。尤为重要的是，PHC-A-1100展现出双重机理优势——其低电压平台区可逆的钠离子插层作用协同优化了热力学稳定性与动力学可及性。成功实现公斤级PHC-A-1100（代号PHC-A-1100-kg）量产，充分展现其卓越的可扩展性——该材料制备成商用18650圆柱电池后仍保持优异电化学性能。本研究为开发高性能硬质碳负极在锂离子电池中的应用提供了重要启示。

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文章链接

C. Li, Q. Chen, Y. Zhang, P. Zhao, X. He, Q. Gu, J. Wang, S.-L. Chou, X. Wu, Molecular Reconfiguration of Pitch-Derived Hard Carbon Anodes with Balanced Thermodynamic Stability and Rapid Sodium Storage Kinetics for High-Performance Sodium-Ion Batteries, Energy Storage Mater. (2025) 104580.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104580

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通讯作者简介

王佳兆教授简介：英国皇家化学会会士，国家级领军人才。其于澳大利亚伍伦贡大学获得博士学位，并在该校超导与电子材料研究所（ISEM）担任研究员、副教授、教授等职务20余年。于2022年依托温州大学碳中和技术创新研究院，现任研究院首席科学家。长期从事电化学储能领域（尤其是电池）新材料/器件的制备与应用研究。其团队在钠离子电池、锂离子电池、金属空气电池（锂、钠、锌）及锂硫电池等领域取得重要创新成果，近期成功开发了普鲁士蓝正极材料等低成本钠离子电池材料及新型电解质体系。在《自然·化学》（Nature Chemistry）、《德国应用化学》（Angewandte Chemie）、《先进材料》（Advanced Materials）、《化学》（Chem）、《先进能源材料》（Advanced Energy Materials）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）等国际顶级期刊发表论文300余篇，总被引超3万次，H指数96（Google Scholar，2024年3月）。2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”，并多次入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。

侴术雷教授简介： 国家级领军人才，教授，博士生导师，国家级领军人才，省级顶尖人才、温州大学碳中和技术创新研究院院长，温州市钠离子重点实验室主任，并担任Wiley旗下高水平期刊《Carbon Neutralization》主编，以及Elsevier旗下《Cell Reports Physical Science》和Wiley旗下《Carbon Energy》等期刊编委、材料学顶级期刊《Advanced Materials》和能源材料顶级期刊《Advanced Energy Materials》等特约编辑。主要从事储能系统及化学电池、新型纳米材料、复合材料等研究，特别是钠离子储能电池正负极关键材料及电解液技术研发与产业化应用。在Science, Nat. Chem.等国际高水平学术期刊发表文章440余篇，高被引论文34篇，被引用55000余次，h因子130。2018年-2024年连续七年入选全世界高被引学者，是钠离子电池领域业界公认的青年顶尖人才。累计申请国内外专利70余项，已授权中国发明专利20余项。

吴星樵博士简介：硕士生导师，主要从事包含钠离子电池硬碳负极以及纳米材料等能源材料相关课题的研究。作为项目负责人获批国家自然科学基金青年科学基金项目、浙江省自然科学基金探索青年项目、温州市基础性科研项目、南开大学能源材料化学教育部重点实验室开放基金等项目；作为核心骨干成员参与国家自然科学基金外国资深学者研究基金团队试点项目、浙江省“KP”计划等项目多项。入选温州高层次人才计划、温州市级领军人才。入选eScience, Exploration, Information & Functional Materials, Carbon Neutral.青年编委、获2024 Information & Functional Materials优秀青年编委， 2024 Exploration优秀青年编委。任Nat. Commun., Sci. Adv., Joule, Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, eScience, Energy Storage Mater., Nano-Micro Lett., Carbon Energy等期刊独立审稿人。目前已发表论文75篇，其中以第一作者/通讯作者身份（含共同）在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., eScience, Energy & Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Energy, Adv. Sci., 等国内外知名学术期刊发表论文45篇，其中7篇入选ESI高被引/热点论文。