官国清/岳喜岩/谢正坤， Chemical Engineering Journal：钠离子电池硬碳负极储钠机理及提高首效策略

第一作者：王佳佳

通讯作者：岳喜岩，谢正坤，官国清

单位：河南理工大学，郑州大学，日本国立弘前大学

硬碳材料（HC）因其价格低廉、可用性广、可逆容量优异、工作电位低而被视为最具吸引力的负极材料。然而，HC的初始库仑效率（ICE）低严重限制了钠离子电池（SIBs）的商业化应用。因此，本文对HC负极的钠储存机理和低ICE的原因进行了详细的讨论和总结。同时，总结了提升HC材料 ICEs的有效策略，如结构和形态设计、缺陷工程、表面工程、杂原子掺杂、电解质优化、电极配置选择和预钠化等。此外，对HC负极的前景进行了简要概述，为SIB的商业化做出了贡献。

基于此，日本工程院外籍院士、日本国立弘前大学官国清教授、郑州大学谢正坤研究员联合河南理工大学岳喜岩老师团队在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Hard carbon anodes for advanced sodium ion batteries: A review on sodium storage mechanism and strategies to improve the initial Coulombic efficiency”的文章。该文章从HC结构及电池配置出发，分析总结了结构和形态设计、缺陷工程、表面工程、杂原子掺杂、电解质优化、电极配置选择和预钠化等手段来改进HC材料 ICEs的策略，同时展望了开发高性能钠离子电池HC负极的前景。

图1.提高SIB中HC基负极ICEs的策略。

图2. HC负极储钠机理及低ICE的原因

具有无序结构的HC总是导致钠的大量储存位点和复杂的钠储存机制，这与ICE有关，目前，已经报道了HC的几种钠储存机制，大致分为三个不同的过程：表面、缺陷和/或官能团吸附；微孔/纳米孔填充；以及层间嵌入。

要点二：HC负极低ICE的原因

导致HC负极低ICE的原因有以下几点：1.HC表面SEI的形成；2. 不可逆吸附；3. 不可逆嵌入；4. 副反应的发生。硬碳材料含有大量的缺陷和官能团，这些缺陷、官能团和钠离子之间过大的结合能会导致钠的不可逆吸附。硬碳材料因其多孔结构而具备较大的比表面积，导致SEI膜形成的过程中过量消耗电解液；同时大量的孔会形成高活性的钠金属团簇，形成死钠。除此之外，硬碳材料还具有丰富的含氧官能团，这些含氧官能团会引起副反应的产生，从而过量消耗电解液。

要点三：改善 HC 负极 ICE 的策略。

从材料本身结构来说，HC前驱体的选择，预处理方法，碳化温度的控制，构建异质结构碳材料，调节材料的孔结构可以减少不可逆的 Na⁺ 损失，从而提高了ICE。另外，减少 HC 材料的缺陷或表面包覆屏蔽缺陷，防止电解液进一步分解，提升ICE。

从外部条件来说，醚基电解质、钠盐、添加剂、粘结剂、导电剂等的筛选，对于HC 负极的 ICE都表现出一定的积极作用。另外也可以通过预钠化补偿首次循环中 Na⁺ 不可逆损失来提升 ICE。

要点四：展望

1.开发和优化高质量的前驱体，提升碳产率；2. 利用先进的表征技术明确HC的储钠机制；3. 优化合成条件实现 HC 材料的可控制备。4. 开发适用于评价全电池系统的电解质；5. 提高ICE的同时兼顾安全问题；6. 构筑稳定的SEI膜提升ICE；7. 提升ICE并兼顾容量和倍率性能。

Hard carbon anodes for advanced sodium ion batteries: A review on sodium storage mechanism and strategies to improve the initial Coulombic efficiency

官国清，日本工程院外籍院士，日本国立弘前大学全职教授。分别于1990年，1993年，1995年取得四川大学本科，硕士和博士学位，1998年晋升四川大学副教授，曾在德国做洪堡学者，在日本做JSPS外国人特别研究员，已发表国际同行评审论文超过490篇，获得美国日本等国67项专利。其研究领域包括能源技术，能源材料与化学，环境催化与环境材料，分离及过程设计等。多次获得日本化工学会等奖励。2024年获得弘前大学最高学术奖励（远藤赏）。现为东京农工大学，四川大学，，太原理工大学，沈阳化工大学，中南林业科技大学，常州大学，埃及-日本科技大学客座教授，新加坡，香港，瑞士，荷兰，克罗地亚，阿联酋等国家和地区科学基金评审委员；也为国际期刊《Carbon Resources Conversion》, 《Resources Chemicals and Materials》和《MetalMat》副主编，以及担任《Fuel Processing Technology》等国际杂志编委。现任World Society of Engineering Thermochemistry (WSETC)，全球华人化工学者等国际组织和日本化工学会日中国际交流委员会委员. 2020-2024连续入围全球前2％顶尖科学家终生及年度榜单（World's Top 2％ Scientists）。

王佳佳，工学博士，河南理工大学校聘副教授，硕士生导师。2018年于湖南大学获硕士学位、2022年于日本国立弘前大学获博士学位。主要从事钠离子电池负极设计及锂硫电池正极结构调控研究。近三年在Energy Storage Mater.、Renew. Sust. Energ. Rev.、Chem. Eng. J.、Nano Res.等期刊发表SCI论文18篇，申请日本发明专利4项，获国家优秀自费留学生奖学金、“GCS Student Travel Grant Award”等奖项。