长沙理工大学吴春、温州大学碳中和研究院侴术雷，吴星樵Nano Energy：分子级前驱体调节策略助力钠离子电池硬碳负极的快充性能

近年来，随着电动汽车和可再生能源的快速发展，对高效、低成本储能技术的需求日益迫切。锂离子电池虽然目前占据主导地位，但锂资源储量有限、分布不均等问题日益凸显，导致其成本不断攀升。钠离子电池作为一种新型储能器件，凭借其资源丰富、成本低廉、环境友好等优势，成为下一代储能技术的有力竞争者。硬碳因其丰富的储钠位点、良好的导电性和稳定的结构，被认为是最具潜力的钠离子电池负极材料之一。然而，针对硬碳可逆容量低和传统制备过程繁琐导致的生产效率不高的问题，本研究利用微波辅助技术结合酸处理对生物质前驱体进行可控的组分调节，实现了高比容量、高能量密度和长循环寿命的钠离子电池硬碳负极的高效制备。

长沙理工大学吴春&温州大学侴术雷、吴星樵在知名期刊Nano Energy上发表了题为“Molecular-level precursor regulation strategy aids fast-charging hard carbon anodes for sodium-ion batteries”的研究论文。长沙理工大学研究生徐辉为第一作者，长沙理工大学吴春和温州大学侴术雷、吴星樵为共同通讯作者。

作者使用微波辅助结合酸处理协同技术，通过调节生物质中各组分占比从而设计高容量和优异循环稳定性硬碳负极。探讨了不同微波反应时间对前驱体的影响，并且通过扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等表征手段，观察到经过处理的前驱体样品表面更加粗糙，颗粒尺寸显著减小，且半纤维素和木质素的含量明显降低。X射线衍射（XRD）分析进一步表明，处理后的样品纤维素结晶度显著提高，这归因于无定形组分和杂质的有效去除。在电化学性能测试中，经过10分钟微波处理的样品（HCA10）表现出最佳的性能。该样品在20 mA g⁻¹的电流密度下，可逆容量达到354.8 mAh g⁻¹，远高于未处理样品的295.5 mAh g⁻¹。即使在5 A g⁻¹的高电流密度下，HCA10仍能保持213.3 mAh g⁻¹的容量，并且在1 A g⁻¹下经过2000次循环后，容量保持率高达90.2%。

为了深入理解这一优异性能的来源，作者通过相关物理表征（Raman、XRD、XPS、TEM、PDF等）对材料进行了进一步分析。TEM图像显示，HCA10样品具有更多的缺陷和更短的石墨化域，这有利于钠离子的快速嵌入和脱出。XPS分析则表明，处理后的样品表面C=O比例增加，有助于形成了更薄且有机-无机杂化的SEI层，减少了电解液的消耗并获得了优异的倍率性能。此外，通过原位拉曼光谱（in-situ Raman）和恒电流间歇滴定技术（GITT）等手段，详细研究了钠离子在材料中的存储机制为“吸附-插层-填孔”过程。并对HCA10样品进行了高低温性能测试。在-20°C-50°C的环境下，HCA10仍能保持良好的电化学性能，展示了其在宽温域应用中的潜力。最后将HCA10与磷酸钒钠（NVP）正极组装成全电池，实现了307.2 mAh g⁻¹的容量和309.4 Wh kg⁻¹的能量密度，进一步验证了该材料在实际应用中的潜力。

作者使用微波辅助结合酸处理协同技术，通过调节生物质中各组分占比从而设计高容量和优异循环稳定性硬碳负极。利用微波辅助结合酸处理协同技术通过调节生物质中各组分占比从而获得了具有大电流快速充放电的能力硬碳负极。该方法下获得的硬碳负极具有354.8 mAh g^-1的可逆容量，并且即使在5 A g^-1的电流密度下仍具有高达213.3 mAh g^-1的比容量。并且在-20 ℃-50°C的环境中，仍然有良好的电化学性能。与磷酸钒钠（NVP）为正极组装的全电池拥有高达309.4 Wh kg^-1的能量密度。本工作可以为开发宽温域高性能快速充放电钠离子电池硬碳负极材料提供指导。

Hui Xu, Hong Song, Minxi Sun, Yinghao Zhang, Xiaoyong Feng, Wei Qin, Chun Wu, Shulei Chou and Xingqiao Wu, Molecular-level Precursor Regulation Strategy Aids Fast-charging Hard Carbon Anodes for Sodium-ion Batteries, Nano Energy, (2025) Doi:

图1 硬碳制备流程及前驱体相关表征

图2 硬碳相关物理表征(Raman、XRD、PDF、BET、TEM)

图3 所得样品的电化学性能测试及SEI层分析表征

图4 储钠机理分析

图5 所制备硬碳宽温域测试及全电池性能测试