AEM：解锁硬碳的动力学限制以实现实用的快速充电钠离子电池

第一作者：黄文洁，吴春

通讯作者：侴术雷*，吴星樵*

单位：温州大学

硬碳以其低成本、优异的钠存储性能，被视为最具商业化潜力的钠离子电池负极材料之一。近年来，尽管通过结构设计与表面改性等手段，其在首周库伦效率与可逆比容量方面取得了显著进展，但其相对较差的倍率性能即在高电流密度下容量的快速衰减仍然是制约钠离子电池实现快速充放电、满足高功率应用需求的核心瓶颈。因此，研究硬碳材料倍率失效机制及影响硬碳倍率性能的关键因素至关重要。

近日，温州大学吴星樵/侴术雷联合长沙理工大学吴春，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Unlocking Kinetic Limitations in Hard-Carbon Anodes to Enable Practical Fast-Charging Sodium-Ion Batteries”的文章。该文章提出了一种通过调控前驱体组分设计差异化孔结构的策略，以此研究硬碳材料的倍率失效机制。

生物质被公认为最丰富、可生物降解和环境友好的碳源之一，生物质衍生材料固有的多孔性和层次化结构为电解液渗透提供了大量可接近的表面积和快速的离子传输途径。通过精确调控前驱体组分（纤维素、半纤维素和木质素的相对含量）可以影响硬碳的微观结构。本文通过酸处理可择性去除半纤维素和部分木质素，提高纤维素结晶度，进而诱导碳化过程中形成差异化的孔隙结构。例如，在低浓度酸处理的ABP-L-1400形成大量微开孔，而高浓度酸处理的ABP-H-1400则出现孔壁塌陷和闭孔结构。这种前驱体工程为优化硬碳的钠存储位点提供了基础。

近年来，通过在分子水平上设计生物衍生聚合物并控制其衍生硬碳的微结构，取得了重要进展，尤其在提升初始库伦效率与容量方面表现显著。但硬碳倍率性能仍然受限，高电流密度下的容量衰减尤为突出。这一现象主要源于硬碳与钠金属之间电位差的减小，以及由此加剧的极化效应，导致钠离子在达到理论容量前即提前终止脱嵌。在实际全电池中，负极倍率性能的不足在快充条件下易引发负极/正极（N/P）容量比失衡，进而可能诱发钠沉积，威胁电池安全。因此，在维持高首效与高可逆容量的同时，提升硬碳负极的倍率性能至关重要。本研究通过前驱体工程调控，制备了具有不同微观结构的硬碳材料，以探究其倍率失效机理。电化学测试表明，在 2 A g^-1电流密度下，ABP-L-1400 的可逆容量为 304.60 mAh g^-1，而 ABP-H-1400 仅为 245.63 mAh g^-1。结合二者在低电流密度下相似的充放电曲线与高倍率下的显著差异，并借助原位拉曼光谱等表征手段，系统分析了不同电流密度下的电化学行为与失效机制。研究发现，以下两方面是影响倍率性能的关键因素：(1) 富含 NaF/Na₂O 且结构均匀的有机-无机杂化固态电解质界面层；(2) 有利于离子快速传输的微开孔结构。综上，本研究通过对比不同结构硬碳的电化学行为，明确了倍率失效机制与材料微观结构之间的内在联系。

Unlocking Kinetic Limitations in Hard-Carbon Anodes to Enable Practical Fast-Charging Sodium-Ion Batteries

侴术雷，国家级领军人才，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60000余次，h因子135。2018年-2025年连续八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。

黄文洁，硕士研究生，主要从事钠离子电池硬碳负极前驱体纯化相关研究。

吴春，硕士生导师，主要从事钠离子电池硬碳负极及超级电容器电极材料相关研究。目前在Angew. Chem. Int. Ed.、eScience、Energy & Environ. Sci.、Chem. Soc. Rev、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Nano Energy等权威期刊上发表研究论文80余篇，文章引用次数6000余次，H因子40，入选2023全球前2%顶尖科学家榜单，任Carbon Neutralization，Chemical Engineering Journal，ACS Applied Surface & Interfaces，Journal of Powder Sources等期刊审稿人，以第一发明人授权专利4项。主持国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅基金项目和长沙市自然科学基金项目共5项。