突破性进展！硬碳负极材料同时实现95%初始库仑效率与优异倍率性能

第一作者：李泽生、高宇非、罗文

通讯作者：王湘麟*，卢周广*、陈柔羲*、徐子安*

单位：南方科技大学

在新能源存储技术快速发展的今天，钠离子电池因其资源丰富、成本低廉而备受关注。然而，硬碳负极材料（HC）一直面临着一个棘手的“二选一”困境：高初始库仑效率与优异倍率性能难以兼得，提高初始库仑效率往往会牺牲倍率性能，反之亦然。初始库仑效率（ICE）是衡量电池首次充放电效率的关键指标，直接关系到电池的实际能量密度和成本效益。而倍率性能则决定了电池能否在快充快放场景下保持高容量。理想很丰满，现实很骨感——现有的技术路线往往只能顾此失彼。

近日，来自南方科技大学的研究团队在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Overcoming the Trade-Off between Initial Coulombic Efficiency and Rate Performance in Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Storage”的研究文章，提出了一种可规模化生产的创新策略，将熔融纺丝技术与交联氧化方法相结合，对酚醛树脂衍生HC进行多维结构调控，成功打破这一技术瓶颈，为高性能钠离子电池的实用化开辟了新路径。

传统的单维度优化策略不可避免地会导致HC负极的ICE与倍率性能之间的取舍。研究团队采用六亚甲基四胺（HMTA）作为交联剂，通过巧妙的两步反应，在HC前驱体中构建了稳定的三维网络结构。这一过程中，酚醛树脂中的羟基被部分氧化为羰基（C=O），同时形成了丰富的亚甲基桥（-CH2-），为后续碳化过程奠定了良好的结构基础。值得一提的是，该合成方法具备良好的可扩展性，单批次产量可达公斤级，为未来的工业化生产奠定了基础。

碳层间距扩大：通过空间交联的位阻效应，有效抑制了高温碳化过程中的过度石墨化，将碳层间距从0.367nm扩大到0.381nm，为钠离子的快速嵌入/脱出创造了更宽敞的通道。

出色循环稳定性：在0.1 A g-1电流密度下循环100次后，容量保持率接近100%；在1 A g-1的高电流密度下循环600次，仍能保持308 mAh g-1的稳定容量。

通过结合电化学测试和一系列表征，研究团队揭示了CPF-1400独特的微观结构促进了形成薄而稳定的SEI，循环后的CPF-1400表面形成了仅约2nm厚的均匀SEI层，而对照样品表面SEI厚度高达50nm。富含Na2CO3和NaF无机组分的SEI具有高离子电导率和优异化学稳定性，从而保证了优异的ICE和倍率性能。

Overcoming the Trade-Off between Initial Coulombic Efficiency and Rate Performance in Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Storage

王湘麟教授简介：师从诺贝尔化学奖得主Alan G. Macdiarmid教授，现任南方科技大学材料系讲席教授，2017年荣获广东省领军人才称号，2018年荣获国家领军人才称号和领航人才称号。发表高水平论文230余篇，包括Science、Nat. Nanotechnology、Joule、Proc. Natl. Acad. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Phy. Rev. Lett,、等国际权威学术期刊，被引用次数超过18000次，H-Index为66。文章多次被 Chem Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc.、Adv. Func. Mater.、Chem. Comm.、J. Mater. Chem.等期刊选作封面，相关成果多次被媒体报道和亮点介绍。

卢周广教授简介：现任南方科技大学材料系长聘教授，深圳市鹏城学者特聘教授，英国皇家化学会会士(FRSC)，福布赖特(Fulbright)学者，深圳市孔雀计划高层次B类人才。2021年入选全球前2%顶尖科学家榜单。2012年迄今在Nature Communications, Journal of the American Chemical Society和Angewandte Chemie International Edition等国际一流学术期刊发表SCI论文260多篇，总他引一万多次，H指数62。现任Nano Research、稀有金属和材料研究与应用等期刊编委或青年编委，中国储能与动力电池及其材料专业委员会副秘书长，广东省锂离子动力和储能电池先进制造产业技术创新联盟理事。

陈柔羲教授简介：现为南方科技大学创新创业学院研究副教授。研究方向为功能性纳米纤维的制备机理与应用研究，近几年致力于基于材料基因思想，发展功能性纳米纤维的高通量制备平台，并开展其在核电军工、环境过滤、特种防护、服用功能材料、医用敷料和能源电池方面的应用。目前已发表SCI学术论文40余篇，申请发明专利30余项，授权10余项。曾获深圳市高层次专业人才、江苏省轻工业科技进步奖三等奖、南通市科技进步奖三等奖、材料基因工程青年科学家奖。担任中国纺织工程学会会员、中国复合材料学会会员、广东省纺织工程学会理事。

徐子安博士简介：2025届南方科技大学与澳门大学联培博士，现为香港理工大学博士后，主要研究方向为碳材料负载金属单/双原子电催化OER\ORR\HER，发表高水平论文20余篇，包括Joule、EES、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、ACS nano等国际权威学术期刊。