吉林大学郑伟涛教授团队张伟课题组Acta Materialia: 无序涡轮层状纳米域主导的硬碳，用于快速和超稳定的钠离子存储

第一作者：刘美琦

通讯作者：张伟*

单位：吉林大学

钠离子电池（SIBs）因其低成本和钠资源丰富而备受关注，被视为电网储能的潜在选择。然而，与商业锂离子电池中常用的石墨阳极材料不同，石墨层间插入Na⁺面临高扩散壁垒和热力学稳定性差的挑战。硬碳（HC）由于其平行石墨烯片层的随机堆叠和大的层间距，有利于Na⁺的脱嵌，但实现HC中Na⁺的快速可逆插入/脱嵌较为困难。

为了解决这一挑战，研究者们探索了杂原子掺杂、孔结构设计和纳米形貌调控等多种方法。特别是，低温热解技术能够最大化保留硬碳材料中的缺陷，有利于离子的快速传输，这对于开发高性能HC材料至关重要。本研究通过低温碳化成功合成了氮氧共掺杂碳纳米管（NOCN），揭示了其“坡主导”特性，并深入探讨了其钠存储机制，为高性能HC材料的开发提供了新见解。

基于此，来自吉林大学的张伟教授课题组，在国际知名期刊Acta Materialia上发表题为“Disordered turbostratic nanodomain-dominated hard carbon for fast and ultra-stable sodium ion storage”的文章。成功合成了氮氧共掺杂的碳纳米管（NOCN），通过低温碳化工艺制备，展现出优异的钠离子存储性能。这项研究不仅提供了对钠离子存储机制的深入理解，还为高性能硬碳材料的开发提供了新的方向。

图1. NOCN样品的形态和结构特征

图2. 电化学性能对比

图3. 电化学动力学行为研究

图4. 储能机理研究

图5. NOCN微观结构与储能机理的关系

图6. NOCN-600//AC SIC的电化学性能

1.结构特性： NOCN具有高度无序的涡轮层状纳米域结构，这种结构在低温碳化条件下得以保留，为钠离子的快速传输提供了丰富的缺陷和活性位点。特别是NOCN-600，展现了最大的层间距（3.93 Å），有利于钠离子的吸附和插层。

2. 电化学性能： NOCN-600在20 A g^-1的高电流密度下展现出约150 mAh g^-1的出色倍率性能，并且在9000次循环后仍有70.6%的容量保持率。

3.储钠机制： 研究揭示了NOCN中钠离子存储的三个阶段：吸附（>0.4 V）、伪吸附（0.4-0.1 V）、插层以及伪吸附共存（<0.1 V）。这一机制的阐明有助于理解硬碳材料的钠存储行为，并为设计高性能硬碳负极提供了理论基础。

4.应用前景： 基于NOCN-600的钠离子电容器（SICs）展现了优异的能量密度和功率密度，以及超过17000次循环的稳定循环性能，证明了其在实际应用中的潜力

Disordered turbostratic nanodomain-dominated hard carbon for fast and ultra-stable sodium ion storage

张伟，吉林大学显微镜中心主任，吉林大学唐敖庆学者-领军教授。中国物理学会表面与界面物理专业委员会委员，吉林电子显微镜学会理事长，英国皇家化学学会会士(FRSC)。获吉林省自然科学奖一等奖（2020）、长春市第八批有突出贡献专家（2022）。2004年获中国科学院金属研究所博士学位。2004年于中国科学院金属研究所获博士学位，而后在日本NIMS、韩国Samsung、德国马普学会Fritz-Haber研究所、丹麦技术大学和西班牙CIC Energigune从事独立和或合作研究，主要研究方向为催化和能源材料的表面/界面化学，先进材料的电子显微分析。

刘美琦，吉林大学材料科学与工程学院博士研究生，导师为张伟教授。目前主要研究方向为碳基材料的结构设计与储能机制的研究。