北京理工大学吴锋院士团队Materials Today综述

第一作者：马思远，闫文刚，董宇

通讯作者：李宁*，苏岳锋*，王炯辉*，王斌*

单位：北京理工大学，北京理工大学重庆创新中心，五矿勘查开发有限公司

不可再生化石燃料的过度使用导致了环境问题和能源安全危机。为实现可持续发展，以可再生和清洁能源取代化石燃料至关重要。可再生能源领域的一个重要的方向是锂离子电池，它以高能量密度、长寿命和高安全性而闻名。然而，由于锂资源有限，导致高的制备成本，锂电池无法满足大规模储能应用的需求。在这种情况下，由于钠资源的储量丰富，成本效益高，钠离子电池被广泛认为是最有前途的锂离子电池替代品。

然而，Na⁺的离子半径较大(Na⁺的离子半径为1.02 Å， Li⁺的离子半径为0.76 Å)，不可避免地导致钠离子的反应动力学缓慢和性能欠佳。在锂离子电池中成功使用的某些材料已被证明不适合钠离子电池。目前，正极材料的研究取得了重大进展，包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝基化合物和其他材料。然而，阻碍钠离子电池研究迅速发展的一个重要因素是缺乏合适的负极材料。

目前，研究人员已经成功地合成了多种类型的负极材料，如插层式碳材料、转化型金属氧化物/硫化物/硒化物、合金锡基/磷基/锗基材料。由于这些材料的高成本或固有的电化学缺陷，它们的实际应用受到限制。碳材料以其丰富的资源，低廉的成本和优异的结构稳定性而闻名，被认为是钠离子电池最具商业可行性的负极材料。在此背景下，人们对各种碳材料进行了广泛的研究，如石墨、膨胀石墨、软碳、硬碳和纳米碳。近日，北京理工大学吴锋院士团队李宁研究员与五矿勘查开发有限公司王炯辉团队总结了碳材料的研究现状：包括碳材料的合成和制备方法、设计策略以及提高钠存储性能(包括容量、首效、循环性能和倍率性能)的结构优化。此外，基于先进的碳材料仪器表征技术，深入研究了钠离子的储存机理和基本界面研究。最后，就碳材料面临的挑战和存在的问题提出了发展见解，以促进碳材料的进一步利用和加快钠离子电池的大规模产业化。该论文以“Recent advances in carbon-based anodes for high-performance sodium-ion batteries: Mechanism, modification and characterizations”为题发表在期刊Materials Today上。

在储钠机理方面，石墨负极在醚基电解质中的共嵌入反应表现出了出色的循环稳定性和倍率性能，但在实际应用中也面临着挑战。这些挑战包括高共嵌入电压(0.6-0.8 V)、高电解液消耗和固有的低比容量(~110 mAh g⁻¹)。基于电解液的设计在提高能量密度和通过共嵌入机理抑制石墨阳极膨胀方面取得了一定的突破，但在实际应用中能量密度仍不能令人满意。为了提高石墨负极储钠的实用性，必须降低共插层平台电压并控制体积膨胀。需要考虑石墨材料的结构设计和电解液的组成设计。如果能进一步提高共嵌入负极的能量密度和功率密度，它们将有望成为下一代储能器件。

此外，本文还总结了非晶碳的复杂结构与其电化学行为的关系。该研究的主要重点是在改善首效的同时保持大的可逆容量(> 300 mAh g^-1)。因此，有必要设计具有丰富可逆储钠位点和缩短Na⁺扩散路径的特殊结构。此外，探索优化的电解液和添加剂来调节SEI膜的形成，提高首效和循环稳定性也至关重要。虽然已经提出了许多提高碳基负极电化学性能的策略，但仍然存在不足和挑战。例如，改进首效的方法可能会造成容量损失。因此，改性方法必须考虑协同效应。其次，改性工艺造成的成本增加是不可避免的。我们需要专注于实现低成本和高性能之间的微妙平衡。碳材料具有天然的低成本优势，因此我们应该专注于更简单、更方便、成本更低的合成路线，这从根本上有助于促进制备高效、低成本的钠离子电池。

钠离子在碳基负极中的储存机制的研究也遇到了一系列的挑战。(1)缺乏对封闭孔隙和缺陷及其与电化学性能关系的全面定量分析。(2)不同的储钠机制相互作用，难以区分。传统的结构分析方法，如XRD和拉曼技术，可能缺乏对各种碳结构检测所需的灵敏度。钠离子的储存行为受实验条件、前驱体类型和表征方法的影响。因此，需要更先进的结构和组成表征方法以及理论计算来研究硬碳材料中复杂的钠储存机制。通过先进的原位表征技术揭示储钠机制是至关重要的。明确的钠储存机制将显著提高钠离子电池电极的性能，指导先进电极材料的设计，为开发低成本、高性能的碳材料提供巨大帮助。

马思远，北京理工大学材料学院2022级博士研究生，导师为李宁教授，研究方向为碳基负极材料、低应变过渡金属氧化物的设计与开发。以第一作者身份在Materials Toady、Energy Storage Materials、Next Materials等国际Top期刊发表多篇SCI学术论文。

闫文刚 北京理工大学材料学院2021级博士研究生，导师为吴锋教授，研究方向为硅基负极粘结剂的设计与开发。以第一作者在Composites Part B，Materials Toady，Carbon等国际Top期刊发表多篇SCI学术论文。

董宇，北京理工大学材料学院2022级博士研究生，导师为吴锋教授，研究方向为碳基负极储锂/储钠方向的研究。以第一作者Materials Toady、small等国际Top期刊发表多篇SCI学术论文。

李宁，无党派民主人士，自2020年6月起任北京理工大学材料学院特别研究员、博士生导师，兼任北理工重庆创新中心新能源技术负责人和子平台负责人。获批“2020年重庆英才青年拔尖人才计划”、“2022年北京市科技新星计划创新新星”以及“2022重庆市自然科学基金杰出青年基金”。目前聚焦能源材料与大科学装置应用交叉研究领域，重点基于同步辐射表征研究绿色二次电池及其相关材料，涵盖锂离子电池富锂正极、层状镍基正极、硅基负极以及钠离子电池正负极材料、原位/异位同步辐射表征技术XANES、EXFAS、Soft-XAS、RIXS、WAXS以及中子衍射（ND）表征等。研究成果入选2022年中国有色金属工业科学技术奖（二等奖），2021年全球百大科技研发奖R&D 100 Awards和2019年美国能源部US DRIVE技术成就奖。至今在Nature Commun等高水平期刊发表论文60余篇，申请专利30余项，含PCT专利2项。担任 Materials、Coatings、Energies、Frontiers in Chemistry, Electronic Structure等期刊客座编辑。

苏岳锋教授简介：工学博士，北京理工大学材料学院特聘教授，博士生导师，新能源材料与器件本科专业责任教授。入选国家高层次领军人才、教育部新世纪优秀人才，担任IEEE PES储能技术委员会（中国）储能材料与器件分委会常务理事。主要从事绿色二次电池及先进能源材料研究，重点研究方向为锂离子电池新型正极材料及高能量密度智能电池等。近年来，先后主持国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题及松下国际合作项目等多项。以第一作者或通讯作者身份在Adv Mater，Angew Chem Int Ed等刊物发表SCI论文100余篇，引用8000余次，以第一和第二发明人身份授权国家发明专利50余项。

王炯辉高级工程师简介：博士，研究员。现任中国五矿股份有限公司副总经理、中国五矿集团石墨产业有限公司董事长，长期从事矿产资源勘查开发、新技术矿产研究和产业化工作，担任2020年国家重点研发计划“石墨资源开采加工源头减量关键技术与示范”项目负责人。