厦门大学赵金保、杨阳&昆明理工李雪EnSM：探索预氧化处理中的官能团演化：打造经济高效的沥青基硬碳材料用于钠离子电池

第一作者：曾月劲

通讯作者：李雪*，杨阳*，赵金保*

单位：昆明理工大学，厦门大学

自商业化以来，锂离子电池（LIBs）一直在储能系统中占据主导地位。然而，锂资源的稀缺和成本上升，导致制造费用增加，阻碍了进一步的技术发展。相比之下，钠离子电池（NIBs）凭借其更高的安全性、成本优势和低毒性，正成为一种有前景的替代方案。然而要实现钠离子电池的商业化，开发和发展低成本且高性能的硬碳负极是关键。

近日，来自厦门大学的杨阳/赵金保教授和昆明理工大学李雪教授合作，在国际知名期刊Energy Storage Materials上发表题为“Identifying the importance of functionalization evolution during pre-oxidation treatment in producing economical asphalt-derived hard carbon for Na-ion batteries”的文章。该工作使用极低成本的沥青作为前驱体，通过预氧化处理来调整硬碳的微观结构，成功实现了高达63%的碳产率。实验与理论计算结果表明，预氧化过程中引入的氧位点是生成具有大层间距非石墨化硬碳的关键因素。

使用低成本的沥青作为前驱体合成硬碳，一方面可以有效提高整体的效益，另一方面通过结合预氧化处理可以实现高的碳产率，高达63%。沥青作为一种高性价比的石油化工副产品，由于具备高的碳产率有望成为大规模合成硬碳的最佳选择。然而，沥青中芳香环的π-π相互作用会导致碳化过程中碳层收缩而得到层间距较小的硬碳，这使得其电化学性能较差，而引入预氧化过程可以有效调控合成硬碳的微观结构，实现高性能硬碳的合成。

在预氧化过程中，沥青分解反应和氧化反应同时发生。对于低软化点沥青而言，在预氧化过程中，其主要发生的是热处理引起的分解反应，此外，大量存在的低分子量沥青质使其处于熔融状态，抑制了其与空气的相互作用，从而阻碍了预氧化反应的进行。这综合导致低软化点沥青在预氧化过程中几乎无法引入氧位点。相反，高软化点沥青由于整体分子量较高，在预氧化过程中可以和空气充分反应而引入丰富的含氧官能团，这是后续碳化中调控硬碳微观结构的关键。

预氧化过程中引入的氧位点对于碳化过程中硬碳微观结构的调控至关重要。其中，羰基的引入可以有效限制碳原子在高温炭化过程中的移动，进而阻止了碳层的石墨化。而丰富的醚醚氧键的引入可以使固相碳化实现并且防止碳层的收缩，促进碳层的卷曲。这综合调控了硬碳的微观结构，实现了高性能硬碳的合成。

Identifying the importance of functionalization evolution during pre-oxidation treatment in producing economical asphalt-derived hard carbon for Na-ion batteries

杨阳 副教授，博士生导师，入选厦门大学南强青年拔尖人才计划。长期从事高安全性快充型锂离子电池、本征安全水系锌电池和电化学原位表征技术的相关工作。主持多项国家、省部级科研项目。已在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Nano letters、ACS Energy Letters等期刊发表论文50余篇。

李雪 副教授，博士生导师，昆明理工大学研究生院副院长，云南省首批“兴滇英才支持计划”入选者，云南省优秀青年人才。主持国家自然科学基金 2 项、云南省重大专项、云南省军民融合专项等省部级项目6项，参与国家重点研发计划及云南省重大专项等项目15项，主持经费共计866.5万元，参与经费共计2600万。授权发明专利18项（4项澳洲专利），转让专利2项（转让60万元），受通 PCT 专利1项。以第一或通讯作者发表论文64篇，其中SCI共46篇，JCR大类一区文章11篇，JCR大类二区文章17篇，累计影响因子258.662。高被引、热点及封面文章 3 篇。在国家“中央级科技出版社”冶金工业出版社，出版独立学术专著 1 部，50.4 万字。