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文 章 信 息
纤维素接枝实现长低电压平台硬碳负极的低温构筑和超快钠储存
第一作者：徐玉娟/王莺莺
通讯作者：侯宝华，吴兴隆
单位：郑州大学，东北师范大学
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研 究 背 景
具有低电压平台（LP）的生物质衍生硬碳（BHC）是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而，获得 LP 通常需要超高碳化温度，且所得硬碳的电化学反应动力学较慢，使其难以实现较低成本和高倍率性能。针对以上关键问题，本研究聚焦于在低碳化温度下构建具有长 LP 和高倍率性能的BHC，其有助于实现高性能BHC的降本增效，进而加快生物质衍生硬碳的实际应用。
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文 章 简 介
近日，郑州大学侯宝华副教授和东北师范大学吴兴隆教授合作，在国际知名期刊 Energy Storage Materials上发表标题为“Cellulose-grafting boosted pyrolysis nucleation: Achieving low-temperature construction of hard carbon anodes with long low-voltage plateau and ultrafast Na storage kinetics”的文章。该文章提出了一种纤维素接枝反应来调节生物质的热解成核过程，在800℃的较低碳化温度下实现了具有石墨纳米域结构BHC的制备，同时，得益于接枝反应氮元素的引入和低碳化温度下氮掺杂的有效保留，该硬碳材料同时实现了长的赝电容控制低电压平台、高的可逆容量、优异的倍率性能和超长的循环寿命。
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本 文 要 点
要点一：低碳化温度下实现长低电压平台生物质衍生硬碳的构筑
本文通过简单的纤维素接枝反应在纤维素链上接枝支链聚合物，利用支链聚合物在热解过程中率先热解的特性，原位形成均匀的石墨化成核位点，诱导后续纤维素的热解重排，促进了低碳化温度下石墨畴结构的生长和局部有序度的增强，从而使在低碳化温度下制备的硬碳负极产生了长低电压平台。
要点二：纤维素接枝结合低温碳化实现长低电压平台硬碳有效氮掺杂
本文利用简单的纤维素接枝反应在纤维素链上均匀引入富含氮元素的支链聚合物，结合低温碳化的特点，所制备的硬碳负极中氮元素的含量相较于传统超高温碳化硬碳得到了显著提升，实现了长低电压平台硬碳结构中的有效氮掺杂。并且接枝方法的可调可控性强，有望通过调整接枝化合物的种类和数量实现杂原子种类和数量的精确调节。
要点三：高速的钠离子存储
该策略使得在800℃的低碳化温度下制备得到了长低电压平台的生物质衍生硬碳，实现了高含量的氮掺杂，有利氮掺杂构型的存在极大促进了平台区域Na+的反应动力学，使其储钠行为从传统的扩散控制行为转变为了赝电容控制行为，显著提高了硬碳的倍率性能。
Figure 1. (a) Schematic illustration of the preparation procedure. (b) FT-IR spectra of Cot and GC-0.8M. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (c), XRD patterns (d), and schematic diagrams of structural parameters (e) of Cot-800 and NHC-0.8M-800.
Figure 2. (a) TG-DTG curves of Cot and GC-0.8M. (b) DTG-MS curves of low molecular weight gas for GC-0.8M. (c) Formation mechanism diagram of NHC-0.8M-800.
Figure 3. GCD curves for the first cycle at 0.025 A g−1 (a), CV curves for the second cycle at the scan rate of 0.1 mV s−1 (b), and rate performance (c) of Cot-800 and NHC-0.8M-800. (d) Charge curves at different current densities of Cot-1300 and NHC-0.8M-800. (e) Comparison of LP proportion at different current densities with the hard carbon anodes reported previously for sodium storage. (f) Long-term cycling stability at 2 A g−1 after three cycles at 0.025 A g−1 of Cot-800 and NHC-0.8M-800.
Figure 4. In-situ Raman spectra and corresponding GCD curves at 0.1A g−1 (a) and CV curves at varied scan rates from 0.1 to 1.0 mV s−1 (b) of NHC-0.8M-800. (c) log (i) versus log (v) plots and the corresponding linear fitting. The b-value (d) and pseudocapacitive contribution at different scan rates (e) of NHC-0.8M-800, Cot-1300, and NHC-0.8M-1300. (f) Schematic of Na+ adsorption sites and Na+ diffusion paths between layers of No-doped SGL and N-doped SGL. Adsorption energy (g) and diffusion barrier energies (h) of Na+ in different models.
Figure 5. (a) Schematic illustration of NHC-0.8M-800//NVPOF full cell. (b) GCD curves of NHC-0.8M-800 and NVPOF in half cells. Rate performance (c) and GCD curves (d) of the full cells. (e) The photograph of a LED sign lighted by one full cell. (f) The comparation of Ragone plots with previously reported high-energy/power full cells. (g) Cycling performance at 0.5 A g−1.
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总 结 与 展 望
本文利用新的策略成功在低的碳化温度下构筑了具有快速反应动力学的长平台生物质衍生硬碳材料，显著降低了长平台生物质衍生硬碳的生产成本并有效提升了倍率性能，这对于推动生物质衍生硬碳负极的降本增效及其在钠离子电池中的大规模应用具有十分重要的意义。
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文 章 链 接
“Cellulose-grafting boosted pyrolysis nucleation: Achieving low-temperature construction of hard carbon anodes with long low-voltage plateau and ultrafast Na storage kinetics”
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104031
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通 讯 作 者 简 介
侯宝华，郑州大学副教授，硕士生导师，郑州大学青年拔尖人才。主要从事锂/钠/钾离子二次电池的研究。先后主持国家自然科学基金，博士后特别资助，博士后面上等项目；已在Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.等国际著名学术期刊上发表SCI论文30余篇；申请发明专利7项。
吴兴隆，东北师范大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”青年学者、吉林省拔尖创新人才。主要研究方向是先进二次电池材料、废旧锂电回收与再利用等。已发表通讯作者论文220余篇，45篇通讯作者论文先后入选ESI热点/高被引论文，文章被他人引用＞22000次，H指数为84。已获授权发明专利21项；主持了国家重点研发计划战略性科技创新合作重点专项、国家自然科学基金委重大研究计划和吉林省科技厅中青年科技创新卓越人才团队等十余项研究课题。曾获得吉林省自然科学奖二等奖（排名第一）、吉林省青年科技奖、教育部自然科学一等奖（排名第三）、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖青年奖、中国颗粒学会青年颗粒奖、东北师范大学第七届优秀教师奖教学新星奖和中国科学院科技成果转化二等奖等科技奖励和荣誉。
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