哈工大范立双，ESM综述：钠电硬碳负极“理性设计三部曲”：前驱体工程→结构调控→产业化破局

钠离子电池（SIBs）因资源丰富、安全性高及低温性能优异，在大规模储能领域潜力巨大。硬碳（HC）作为主流负极材料，凭借良好电化学性能备受关注，但其电化学性能受前驱体分子结构影响显著，存在容量波动大、首效低等问题。微观结构参数（如层间距、缺陷、闭孔）和固液界面行为共同决定储钠性能，而平台区储钠机制尚存争议。如何实现硬碳微观结构精准调控，阐明储钠机制，提升硬碳电化学性能，成为当前核心挑战。

近日，来自哈尔滨工业大学的范立双团队，在Energy Storage Materials上发表题为“Rational Design of Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Batteries: Precursor Engineering, Structural Modulation and Industrial Scalability”的综述文章。该文章回顾了硬碳负极材料的研究进展，系统总结了硬碳负极的设计策略，并从前驱体选择→制备工艺→结构调控→储钠机制→全电池验证多个维度论述了硬碳负极在钠离子电池中面临的问题以及潜在的解决方案，为高性能硬碳的工业化提供多尺度设计蓝图。

生物质和树脂基前驱体虽具备高比容量，但面临低得碳率（生物质<20%）和高成本（树脂原料$1700–2200/吨）的挑战。煤基（无烟煤）和沥青基材料凭借高得碳率和低价具有产业化优势，但需解决比容量低和环保问题。通过分子结构调控，可优化硬碳层间距与孔隙结构，平衡电化学性能与规模化成本。

硬碳负极制备需兼顾性能、成本与环保：掺杂（N/S/P）需低成本气源与封闭系统以减少损失；化学活化依赖耐腐蚀设备及>90%废液回收；模板法需酸洗闭环回收，CVD与ALD精度高但产量低，适于关键界面改性而非全表面处理。通过多尺度结构工程优化平台容量和ICE，这些工艺最终决定硬碳物理性质及其钠储存行为。

硬碳（HC）性能由形态、缺陷、晶粒和孔隙协同控制：球形颗粒提升电极密度，纳米带/花状结构增加活性位点；适量缺陷促进吸附但过量导致不可逆损失；微晶参数影响插层容量；闭孔主导平台容量，开孔贡献斜坡区容量。通过定量结构-性能关系指导合理的微观结构设计。

硬碳阳极的电化学性能不仅取决于其体结构和钠储存机制，还受到SEI的结构和组成特性的显著影响。与本体结构参数不同，SEI决定了界面离子传输动力学、ICE和长期循环能力，总结了电解液组分对SEI结构特征和HC性能的影响，为最佳界面工程提供指导。

对于硬碳材料，基于Ah级软包电池验证，高质量负载会引发不均匀的钠沉积和枝晶生长。软包电池实现高容量保持率需要稳定的前驱体供应、经济高效的工艺和环保的解决方案。应对这些工业化挑战，结合上述材料设计（前体、结构、工艺）和SEI优化，将共同推动高性能钠离子电池储能系统的实现。

结构参数耦合调控：协同调控层间距、曲率、缺陷密度、比表面积和孔结构等关键参数，结合热-力-电-磁多物理场方法，精确合成高性能硬碳材料。

储钠机制深度探索：深入解析平台区钠的准金属态存储行为，利用先进表征技术和理论计算，明确结构与电化学性能的构效关系，建立定量模型。

实用化验证至关重要：需设计全电池测试，评估硬碳负极在实际工况下的性能、循环稳定性和倍率性能，弥合实验室研究与产业化应用间的差距。

机器学习与高通量计算筛选：结合机器学习和高通量计算，建立硬碳微结构参数与储钠性能数据库，预测最优结构，指导先进硬碳负极的精准合成。

周泽人 哈尔滨工业大学化工与化学学院博士在读 研究方向为钠离子电池硬碳负极材料