陈仕谋教授、肖莹副教授， Adv. Funct. Mater. ：缺陷和含氧官能团调控软碳微结构实现高首效高容量钠离子电池- 大数跨境

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陈仕谋教授、肖莹副教授， Adv. Funct. Mater. ：缺陷和含氧官能团调控软碳微结构实现高首效高容量钠离子电池

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2025-06-05

导读：陈仕谋教授、肖莹副教授， Adv. Funct. Mater. 观点：缺陷和含氧官能团调控软碳微结构实现高首效高容量钠离子电池

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文章信息

缺陷和含氧官能团调控软碳微结构用于高效钠离子电池

第一作者：龚风莲

通讯作者：肖莹*，陈仕谋*

单位：北京化工大学

台湾碳能CeTech【W0S1011生碳布&W0S1011H亲水碳布】性能可靠正品保证科研必备！

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研究背景

软碳（SCs）主要源自芳香族物质，兼具低成本和高收率的优势。此外，SCs的充放电曲线能够避开低电压平台区域，有助于抑制钠枝晶的生长和浓差极化，从而提升电池倍率性能、循环稳定性和安全性能。然而，SCs通常具有较高的石墨化度和较少的缺陷，这会削弱其储钠能力，并导致层间距较小，进而造成容量受限和初始库仑效率（ICE）偏低。因此，探索有效策略以降低SCs的石墨化程度、增加Na+存储位点并扩大层间距，是当前迫切的需求。为此，本文研究了一种经少量树脂基衍生硬碳和铁物种改性的软碳材料（HSC-Fe），作为高性能钠离子电池负极。相关策略不仅为SCs提供了丰富的Na+存储活性位点，促进了快速的Na+转移动力学；同时还诱导了封闭孔的形成，从而提高了电池容量。Fe物种的引入增加了C=O官能团，提供额外的活性位点，有效促进了斜坡区Na+的可逆吸附，显著提升了软碳负极的ICE。

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文章简介

近日，来自北京化工大学的陈仕谋教授/肖莹副教授团队，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Defects and Oxygen Functional Groups Modulated Soft Carbon with Abundant Closed Pores and Robust Interface for High-Performance Na+-Ion Batteries.”的研究性论文。本研究通过引入树脂衍生的硬碳与低成本铁基物种，设计出一种具有独特层状结构的改性软碳材料（HSC-Fe），表现出增强的储钠效率和稳定的电极/电解质界面结构。基于该材料的钠离子电池获得了高达311.0 mAh g^-1的储钠容量，在0.1 A g^-¹电流密度下的ICE显著提升至93.89%。即使在1 A g⁻¹的高倍率下循环，仍能提供269.3 mAh g^-1的高可逆容量，并在800次循环后展现出优异的稳定性。

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本文要点

要点一：树脂衍生硬碳和铁物种改性有效调控层状软碳的微结构

图1.（a）HSC-Fe的制备过程示意图。（b）SC、（c）HSC和（d）HSC-Fe的SEM图。（e）HSC-Fe的SEM图和（f）相应元素mapping图。（g）HSC-Fe的TEM图和（h-l）HRTEM图。（m）样品的N2吸脱附等温线图。

异质结构材料由不同组分构成，能有效整合各组分优势并弥补其局限性。更重要的是，异质结构界面处的电荷与缺陷重分布将促进电荷转移，增强 Na+扩散动力学，改善电化学反应的可逆性，并诱导产生更多储能活性位点。树脂衍生的硬碳（HC）与SC混合煅烧，在促进微孔形成的同时，有效抑制了石墨化程度。此外，SC 与 HC 在高温下的原位融合诱导了结构重组，导致碳层折叠和纳米孔聚集，从而促进了开孔结构向闭孔结构的转化。引入 Fe(NO3) 3进一步降低了石墨化程度、增加了含氧官能团，，从而促进 Na+ 的可逆存储并加速其电化学反应动力学。得益于上述双重改性策略，所得 HSC-Fe 材料呈现出更薄的片层堆叠结构，有利于电解液渗透和电荷传输。最终，通过树脂-铁协同改性实现的微结构工程，成功将长程有序的石墨域与随机取向的碳链相结合，显著降低了 SC 的石墨化程度。

要点二：树脂衍生硬碳和铁物种促进缺陷、闭孔及含氧团能团在层状软碳中的构筑

图2.（a）SC、HSC和HSC-Fe的XRD图，以及（b）HSC和HSC-Fe样品的（002）晶面的衍射峰的峰拟合。（c）SC、HSC和HSC-Fe的SAXS图。（d）SC、HSC和HSC-Fe的拉曼光谱图。（e）样品中C、O和H的元素含量对比图。样品的高分辨XPS谱图：（f）C 1s，（g）O 1s的，（h）Fe 2p。（I）SC、HSC和HSC-Fe的FTIR谱。

为探究样品缺陷结构与层间距变化，XRD表征证实HC改性抑制了材料的石墨化，利于Na+存储/传输；SAXS谱表明其闭孔显著增加，孔间距缩小，为Na+嵌入提供路径并提升平台容量。拉曼分析中ID1/IG（缺陷浓度）和ID3/IG（含氧基团）值排序为HSC-Fe > HSC > SC，证明引入HC和Fe协同增加了缺陷与含氧官能团。XPS进一步验证：HSC-Fe氧含量（3.58%）显著高于SC（0.27%）和HSC（0.78%），且其O 1s谱中C=O占比91.62 at%并存在Fe-O-C键，证实Fe-碳基质共价作用增强结构稳定性。FTIR中HSC-Fe的C=O特征峰与XPS一致，佐证含氧基团成功引入。上述多维度表征共同揭示了缺陷、闭孔及C=O官能团的协同调控机制，为提升储钠性能提供结构基础。

要点三：闭孔和含氧官能团增加对软碳材料电化学性能的显著提升

图3. SC、HSC和HSC-Fe的电化学性能图（a）在0.1mV·s-1的扫描速度下的CV曲线图，（b）在0.1A·g-1下首圈循环的充放电曲线图，（c） 0.1 A g-¹和（d） 1 A g-¹下的循环性能图。（e）不同样品的ICE比较。（f，g）SC、HSC和HSC-Fe在不同电流密度下的倍率性能图。（h）本工作与已报道相关工作的性能对比图。

通过引入缺陷、构建闭孔结构以及增加含氧官能团，实现了对Na+离子的可逆吸附。富含NaF的固体电解质界面（SEI）膜有效抑制了循环过程中的副反应，减少了可逆Na+的损失。同时，缺陷和闭孔的增加提供了更多Na+活性位点，促进了Na+的快速传输与存储，显著提升了SC的储钠能力和循环容量。含氧官能团C=O在倾斜区表现出的可逆钠吸附特性，结合所形成的坚固且薄的SEI膜，共同增强了Na+的可逆吸附并改善了反应动力学。因此，当该材料用作钠离子电池负极时，在1A g^-¹的电流密度下展现出高达269.3 mAh·g^-1的可逆容量，并实现了800次的稳定循环。此外，其首次库伦效率显著提升，较纯PTCDA衍生的软碳提高了18%。

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文章链接

Defects and Oxygen Functional Groups Modulated Soft Carbon with Abundant Closed Pores and Robust Interface for High-Performance Na+-Ion Batteries.

https://doi.org/10.1002/adfm.202506205

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通讯作者简介

肖莹副教授简介：北京化工大学材料科学与工程学院副教授。主要从事钠电池及锂-二氧化碳电池关键材料构筑合成及应用研究工作。此前相继在韩国汉阳大学Yang-kook Sun 教授和美国凯斯西储大学Liming Dai 教授团队开展博士后研究工作。已发表高质量SCI学术论文70余篇。以第一作者或通讯作者在 Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Energy Mater.; Adv. Funct. Mater.; ACS Nano; ACS Energy Lett.; Small 等期刊上发表相关学术论文 50 余篇，申请二次电池关键材料相关国内发明专利7项，申请美国发明专利2项，已授权国内发明专利2项。

陈仕谋教授简介：北京化工大学材料科学与工程学院教授，国家杰出青年基金获得者，英国皇家化学会会士，中科院百人计划，江苏省双创人才，山东省泰山产业领军人才，在J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.; Adv. Mater.; Energy Environ. Sci.等杂志发表SCI论文160余篇，授权国家发明专利40余项。主持国家自然科学基金面上，优青，杰青，重大研究计划培育项目，科技部重点研发计划课题，中科院纳米先导专项课题，北京市科委重大项目等各类国家,省部级项目20余项，以及多项企业合作项目。