兰州理工大学AFM：研究植物前驱体的聚集结构对钠离子电池硬碳负极的倍率性能影响。

第一作者：张天芸、张田

通讯作者：张天芸*，冉奋*

单位：兰州理工大学

植物基硬碳是钠离子电池极具前景的负极材料。大量研究致力于前驱体的选择，但对植物基硬碳的倍率性能的提升却相对有限。实际上，前驱体中纤维素和半纤维素的聚集结构对其材料性能的影响一直未被重视。本研究以木棉纤维为研究对象，通过优化其固有聚集结构，发现前驱体的聚集结构显著影响碳化后高度无序碳的含量，从而影响所得负极材料的倍率性能。这项研究不仅研究了植物前驱体结构导致倍率性能下降的因素，还创新性地引入了离子耦合方法来修复前驱体聚集体结构，从而实现了硬碳负极倍率性能的优化。

基于此，来自兰州理工大学张天芸副教授和冉奋教授团队的硕士研究生张田在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Revealing Effect of Aggregation Structure of Plant Precursors on Rate Performance of Carbon Anode for Sodium-ion Batteries”的研究文章。该文章研究了由植物基前驱体组成（纤维素、半纤维素和木质素）和聚集态结构引发的衍生碳负极倍率性能变化，同时提出部分过渡金属能够对前驱体聚集态结构修复，从而提高衍生碳负极倍率性能。

图1. 过度金属与铝离子在修复聚集态结构中的作用。

漂白与碱化处理是常见的对植物基前驱体进行除杂的工艺：通过破坏β-O-4糖苷键来去除木质素，同时也有助于提高植物基硬碳材料的容量。对于植物基硬碳而言，木质素框架的破坏会改善孔隙比并且显著降低比表面积，从而优化可衍生硬碳初始库伦效率；然而，过度去除木质素会降低结晶度，影响纤维素-半纤维素的结构，增加碳微观结构的无序性，降低其导电性，并对其倍率性能产生负面影响。

要点二：软木类植物的结晶度与伪石墨域对应关系

对木棉纤维进行预处理，去除木质素的过程中木棉纤维的结晶度先升高后降低。前驱体结晶度与其碳化后计算出的伪石墨域比例呈现出正比关系。同时对棉纤维和麻纤维进行预处理，该对应关系仍然成立。与此同时，在前驱体保持相当结晶度（70%）的同时，其衍生硬碳倍率性能最优，但随着预处理程度加重，其倍率性能下降。研究中发现，衍生硬碳低电流密度下容量在预处理的过程中呈提高趋势，并不受前驱体结晶度的影响。

要点三：以铝离子为代表的金属离子对结构的修复

对于植物基材料而言，提高倍率性能的关键在于伪石墨域。为了在不降低容量的情况下增加伪石墨域的比例，有必要重建因预处理过程已受损的纤维素半纤维素阵列。大量的金属修复测试证实，大多数过渡金属能够有效的与半纤维素和纤维素中的极性官能团形成配合物进行交联。这种方法能够实现高容量和卓越的倍率性能。

Revealing Effect of Aggregation Structure of Plant Precursors on Rate Performance of Carbon Anode for Sodium-ion Batteries

张天芸，工学博士/副教授/硕士生导师，甘肃省级青年人才。本科、硕士、博士均毕业于东华大学纺织工程专业。美国加州大学圣塔芭芭拉分校访问学者。主要研究纺织储能、纤维基能源材料以及废弃纺织品再利用与纤维再生。主持国家自然科学基金、甘肃省青年人才项目、中国博士后面上和特助、甘肃省自然科学基金等项目10项，省部级以上课题6项，发表SCI论文40余篇。入选“甘肃省青年人才”和“兰州理工大学红柳优秀青年人才”项目。

张田简介：2022年9月至今，在兰州理工大学纺织工程专业攻读硕士学位，获得2024年硕士研究生国家奖学金。在张天芸导师的指导下，以第一作者在《Advanced Functional Materials》、《Small》、《Journal of Energy Chemistry》、《ChemElectroChem》期刊发表学术论文4篇。

代表性文章：

[1] Tianyun Zhang1, *, Tian Zhang1, Fujuan Wang, Fen Ran*. Pretreatment Process before Heat Pyrolysis of Plant-Based Precursors Paving Way for Fabricating High-Performance Hard Carbon for Sodium-Ion Batteries [J]. ChemElectroChem. 2023. 10(24): e202300442.

[2] Tianyun Zhang1, *, Tian Zhang1, Fujuan Wang, Fen Ran*. High-Efficiently Doping Nitrogen in Kapok Fiber-Derived Hard Carbon Used as Anode Materials for Boosting Rate Performance of Sodium-Ion Batteries [J]. Journal of Energy Chemistry. 2024. 96: 472-482.

[3] Tianyun Zhang1, *, Tian Zhang1, Fujuan Wang, Lirong Zhang, Hanhan Kong, Yu Li, Fen Ran* Heterogeneous Carbon Designed with Disorder-in-ordered Nanostructure toward High-rate and Ultra-stable Sodium Ion Storage [J]. Small. 2024. 2407861. (封面文章)

[4] Tianyun Zhang 1, * (导师；共同一作), Tian Zhang1 (共同一作), Fujuan Wang, Lirong Zhang, Yu Li, Changhong Zhao, Liyu Zhang, Fen Ran * Revealing the inverse effect of hard carbon crystallinity on the rate performance of biomass [J]. Advanced Functional Materials. 2024. 2425234