闭孔不是“烧”出来的！这篇综述讲透硬碳负极的设计逻辑- 大数跨境

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闭孔不是“烧”出来的！这篇综述讲透硬碳负极的设计逻辑

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2026-04-03

导读：闭孔不是“烧”出来的！这篇综述讲透硬碳负极的设计逻辑

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文章信息

硬碳中闭孔的程序化设计：从分子拓扑到化学力学碳化

第一作者：刘鑫宇

通讯作者：张果丽*，李开喜*，管涛涛*

单位：中国科学院山西煤炭化学研究所

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研究背景

钠离子电池（SIBs）因钠资源丰富、成本低廉，被公认为下一代大规模储能技术的有力候选。硬碳（Hard Carbon）兼具较低的工作电位、较高的可逆容量和优异的循环稳定性，是目前最具应用前景的钠离子电池负极材料之一。

然而，决定硬碳储钠行为的关键——闭孔（Closed Pores，即与外界不连通、密封在碳基体内部的纳米空腔），长期以来被视为热解过程中偶然形成的“副产物”，缺乏可预测、可调控的设计思路。尽管大量研究已证实，闭孔与低电压平台容量、初始库仑效率（ICE）、电解液接触、界面副反应及循环稳定性密切相关，但不同研究之间因前驱体、工艺、表征方法的差异，结论往往难以横向比较。

如何从前驱体分子结构出发，建立“前驱体拓扑—碳化过程—闭孔演化—电化学性能”之间的内在联系，已成为硬碳负极研究的重要前沿。

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文章简介

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所管涛涛团队在国际期刊《Energy Storage Materials》上发表综述文章《Programming Closed Pores in Hard Carbon: from Molecular Topology to Chemomechanical Carbonization》。文章指出，硬碳中的闭孔并非热解过程的偶然副产物，而是可以通过前驱体的“交联化学”进行程序化设计的结构单元。作者建立了“描述符—机制—性能”三位一体的框架：五大前驱体描述符（桥联化学、网络连通性、空间均匀性、凝胶化窗口、粘弹性响应）共同调控碳化过程中的应力演化、收缩模式与气体逃逸路径。其核心竞争关系可概括为——闭孔形成取决于收缩驱动的“孔口封闭”速度是否快于通道连通或裂缝发展的速度。在此基础上，闭孔的体积、可达性及尺寸/稳定性窗口成为可定向设计的三大指标，共同决定了硬碳负极的低压平台容量、首次库仑效率与倍率性能。该工作突破了传统认知，为硬碳负极从经验优化迈向可预测设计提供了清晰的理论路径。

交联化学程序化构筑闭孔结构以实现硬碳的高效钠存储

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文章简介

要点一：闭孔不是碳化中的偶然副产物，而是可以被“设计”出来的结构单元

文章最核心的观点，是将硬碳中的闭孔从传统认知中的“热解副产品”，重新定义为可通过前驱体交联化学进行前置调控的目标结构。作者强调，交联化学应被视为闭孔工程的预测性设计抓手，而非仅凭经验调节的制备参数。

酚醛树脂基硬碳中交联拓扑—闭孔结构—电化学性能的映射关系

要点二：文章提出五大前驱体描述符（D1–D5），这是全文最重要的创新之一

作者建立了一个前驱体网络描述符框架，包括：D1桥联化学、D2网络连通性、D3空间均一性、D4凝胶化/玻璃化窗口、D5黏弹性响应。这套框架把原本分散的合成变量，上升为可比较、可迁移、可用于机制分析的高层次设计参数。

控制交联程序化闭孔形成的五大网络描述符。（D1）桥联化学、（D2）连通性、（D3）均匀性、（D4）凝胶化/玻璃化窗口、（D5）流变学/粘弹性。它们共同调控应力演化、气体约束与孔封闭，将前驱体拓扑转化为闭孔体积、可及性及尺寸/稳定性窗口。

要点三：文章将碳化过程重新定义为“应力调控的化学力学过程”

作者指出，硬碳炭化并非简单热分解，而是由前驱体拓扑预先设定边界条件、并在碳化中表现为应力演化、收缩模式与渗透通道形成相互竞争的化学力学重组过程。闭孔是否形成，本质上取决于“收缩致密化和孔口封闭”能否快于“连通通道和裂缝发展”。

交联调控下酚醛树脂基硬碳中闭孔形成的化学力学转录过程。(a) 前驱体网络拓扑结构确立了机械边界条件，对比了均质、高连通网络与异质、富缺陷结构之间的差异。(b) 在碳化过程中，拓扑结构调控了收缩、应力松弛与连通性之间的竞争，使孔隙演化偏向于收缩驱动的封闭或应力辅助的渗穿。这一结果受控于一个动力学匹配问题：只有当基体硬化与孔喉封闭的速度超过连通气体释放通道发展的速度时，闭孔才会形成。(c) 这些不同的化学力学路径最终形成了以孤立闭孔或相互连通的开孔结构为主导的硬碳构型。

要点四：闭孔研究不能只看“多少”，还要看三大关键指标

文章提出，闭孔评价至少应同时关注三类描述符：闭孔体积（Vclosed）、可达性/孔喉限制以及尺寸—稳定性窗口。这意味着，储钠性能并不由闭孔数量单独决定，而是由“有多少闭孔、这些闭孔是否真正封闭、尺寸是否处于合适区间、结构能否稳定存在”共同决定。

硬碳结构描述符、测量探针与物理诠释的关联示意图。(a) 闭孔：氦比重法/SAXS检测的密封空腔；(b) 开孔：气体吸附表征的可及通道；(c) 孔喉限制孔：窄孔颈（0.35–0.5 nm）导致动力学限制及N₂/CO₂体积差异。

基于孔喉尺寸与探针可及性的硬碳孔结构分类。(a) 真闭孔（<0.35 nm）：气体探针不可及，但对Na⁺存储具有活性。(b) 开孔（>0.5 nm）：电解液与溶剂化离子可完全进入。(c) 孔喉限制孔（0.35–0.5 nm）：狭窄孔颈（“墨水瓶”效应）在动力学上阻碍探针进入。

要点五：文章明确区分“真闭孔”与“探针不可及孔”，这是很强的方法学贡献

作者特别提醒，很多文献中所谓“闭孔”其实只是对特定探针不可及的孔喉受限孔。比如，CO₂可以进入部分超微孔，但这并不等于溶剂化Na⁺也能进入；因此，气体探针可达性不能直接等同于电解液可达性。

硬碳中尺寸排阻效应示意图：孔喉限制孔（~0.35–0.6 nm）可被CO₂进入，但溶剂化钠离子（~0.8–1.0 nm）因空间位阻无法进入，导致气体吸附孔隙率与电化学活性面积存在显著差异。

要点六：闭孔对性能具有双重作用，但理想设计不是“闭孔越多越好”

文章指出，闭孔一方面为低电位平台储钠提供受限纳米空间，另一方面又能减少电解液暴露面积、抑制副反应和过度SEI生成，从而提升首次库仑效率和循环稳定性。但作者同样强调，过度孤立会增加离子传输阻力、损害倍率性能，因此真正理想的结构应在闭孔储钠域与开放传输通道之间取得平衡。

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文章链接

Programming Closed Pores in Hard Carbon: from Molecular Topology to Chemomechanical Carbonization

DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105073

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通讯作者简介

张果丽，中国科学院大学博士，玛丽居里学者，中国科学院优秀博士学位论文获得者，挪威University of South-Eastern Norway博士后。主要研究方向为生物质、含油残渣及沥青的高值化利用，应用于超级电容器、钠离子电池、锂离子电池及锌空气电池等领域。

李开喜，中国科学院山西煤炭化学研究所研究员、博士生导师。1990年获四川大学理学硕士学位，1999年获中国科学院山西煤炭化学研究所工学博士学位，2000年起任中国科学院山西煤炭化学研究所研究员。长期从事特殊多孔活性炭的基础与应用研究，包括超级活性炭、球形活性炭及活性炭纤维等。

管涛涛，中国科学院山西煤炭化学研究所博士，中国科学院青年创新促进会会员，三晋英才青年拔尖人才。长期从事面向产业化的煤基/树脂基先进碳材料研究，开发了多种功能碳材料的规模化制备技术，并推动其在军用化学防护、医疗健康及电化学储能等领域的示范应用。

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第一作者简介

刘鑫宇，中国科学院山西煤炭化学研究所硕士研究生在读，主要研究方向为纳米碳材料的开发及其在电化学储能领域的应用。

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课题组介绍

中国科学院山西煤炭化学研究所702组从事高性能炭素材料的研发已有30多年的历史，先后开发出球状多孔炭、超级活性炭、功能纳米炭等系列材料的规模化制备技术，推动产品在军事防化、新能源存储与转化、生物医药、气体分离/净化、工业催化等领域的高效应用，承担国家863、国家自然基金（重点/面上/青年）、科技部、GF科工委、山西省等项目五十余项，累计经费9000余万。