广工大邱学青、张文礼教授，ESM：颗粒控制调控硬炭负极的钠离子储存行为

第一作者：姚君君

通讯作者：邱学青*，张文礼*

单位：广东工业大学

钠离子电池（SIB）凭借丰富的资源和相似的工作原理，成为大规模储能的有前景的候选者。值得注意的是，SIB的性能取决于负极材料的选择。硬炭因其高比容量、低工作电位和优异的循环性能而成为商业SIB的首选负极材料。硬炭作为一种不能完全石墨化的碳材料，具有高度无序的石墨结构和较大的层间距，其独特的微观结构使其具有优异的钠离子储存能力。颗粒工程是制备硬炭材料的一个不可避免的过程。颗粒工程可以通过机械破碎或球磨来调整硬炭材料的粉末参数。机械破碎是将大颗粒制成小颗粒最广泛使用的方法，包括超声波破碎和气流破碎。硬炭颗粒尺寸的减小缩短了钠离子的迁移路径，这有利于钠离子的快速运输。球磨产生的热量也可以使硬炭中石墨烯的层间间距部分有序。同时，球磨硬炭也可能将部分闭孔转化为开孔或中孔。然而，不同的粉碎工程方法对硬炭的微观结构变化知之甚少。

近日，广东工业大学邱学青、张文礼教授团队在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Particuology Engineering Tuning the Sodium-ion Storage Behaviors of Hard Carbon Anodes”的观点文章。该观点文章分析了不同颗粒控制工艺对硬炭微观结构影响，探讨了硬炭微观结构与储钠行为之间关系。

本实验分别采用球磨和手磨的方式粉碎硬炭。球磨硬炭的颗粒尺寸集中在1-30μm，比手磨硬炭更小更均匀。与手磨硬炭相比，球磨硬炭的石墨烯层间距扩大（0.402nm），石墨化程度提升，石墨烯纳米域尺寸（La）减小但层厚（Lc）增加。同时，球磨硬炭的缺陷程度增加，主要为无定形碳和碳微晶排列不规则导致的缺陷。表面含氧官能团（C=O、C-O）含量增加，sp² C含量提高，利于钠离子插层储存。球磨会破坏硬炭结构中部分闭孔和微孔，使闭孔体积减少、孔径增大，比表面积提升，孔结构以微孔和介孔为主。

球磨硬炭的极化更小（△E=4.0mV），钠离子扩散系数更高，反应动力学以电容控制为主。小电流密度下，球磨硬炭负极的斜坡电位的容量增加，平台电位容量降低。但高电流（>1A/g）下，球磨硬炭负极的平台电位容量更高。5A/g，球磨硬炭负极的容量达200mAh/g；1A/g，200次循环后容量为161mAh/g。

通过原位拉曼光谱证实，硬炭负极的储钠过程为“吸附-插层-闭孔填充”的连续机制：斜坡电位区（>0.1V）以钠离子的吸附和插层为主，平台电位区（<0.1V）以钠离子填充闭孔为主。球磨硬炭因石墨烯层间距扩大、缺陷增多，吸附-插层过程更高效，斜坡电位容量提升。闭孔体积减少导致低电流下平台容量降低，但颗粒尺寸减小和孔结构优化加速了钠离子传输，使平台容量在高电流下更具优势。

Particuology Engineering Tuning the Sodium-ion Storage Behaviors of Hard Carbon Anodes

邱学青教授简介：教授，博士生导师，现任广东工业大学校长。加拿大工程院外籍院士、国务院特殊津贴专家，国家杰出青年科学基金获得者，入选国家新世纪“百千万”人才工程。兼任中国化工学会理事、精细化工专业委员会副主任，广东省科协副主席，广东省化工学会执行理事长，广东省绿色精细化学产品工程技术研究开发中心主任，第七届国务院学科评议组（化学工程与技术学科组）成员，《高校化学工程学报》《精细化工》副主编等。

邱学青教授主要从事工业木质素的资源化高效利用及新型萃取工艺方法的研究，获得国家技术发明二等奖2次（均排名第一），部省级科技一、二等奖共5次，中国专利优秀奖3次，何梁何利奖科学与技术进步奖（2024）、石化联合会科学技术奖一等奖（2024），广东省专利金奖2次。获光华工程科技奖（2018年），闵恩泽能源化工奖杰出贡献奖（2015年）。获国家教学成果一等奖1次、二等奖2次。发表SCI/EI收录论文300多篇，获授权中国发明专利62项；获得美国授权专利2项。

张文礼教授简介：博士，教授，博士生导师，广东工业大学“百人计划”特聘教授，国家海外高层次青年人才，轻工化工学院、先进制造学院教师，主要从事木质纤维素衍生碳电极材料及其工业应用（碳电极材料、绿色化工、电催化和电化学储能等）的研究，在Angewandte Chemie, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Engineering Science, Nano Energy, Energy Storage Materials, Small Methods, Electrochemical Energy Reviews, 和EnergyChem等期刊发表学术论文200余篇，其中ESI高被引论文10篇，被引用12000余次，Google Scholar h指数56。

姚君君：广东工业大学轻工化工学院化学工程与技术2024级博士研究生，木质素高值化利用团队，主要研究方向是木质素基硬炭用于可充电钠电池。

广东工业大学木质纤维素高值化利用团队聚焦于木质纤维素可再生生物质资源的应用与应用基础研究。团队主要从事工业木质素的资源化高效利用及新型萃取工艺方法的研究，研制出应用于建筑、农业和能源领域的木质素功能化学品与木质素基先进材料并推广应用，实现了工业木质素的资源化高效利用。团队以木质纤维素生物质高值化利用为目标，系统开展了木质素结构、分子内/间相互作用力和复合界面行为的研究，基于木质素独特的三维结构、丰富的活性官能团和天然的防紫外、抗老化等物理化学特性，创制了一系列木质素基表面活性剂、纳米复合颗粒、木质素基高分子材料、木质素基碳材料、木质纤维素衍生化学品、纳米纤维素功能材料和高品质燃料等产品，拓展了木质素、纤维素和木质纤维素生物质在精细化工、日用化学品、航空燃料、生物医用、新能源和新材料等领域的应用，实现了工业木质素的资源化高效利用。