中南大学张治安&李思敏，AEM：揭示钠离子电池硬炭不可逆容量损失的微观成因

第一作者：郑景强

通讯作者：张治安*，李思敏*

单位：中南大学

硬炭被认为是钠离子电池最具商业前景的负极材料，然而较低的首次库仑效率严重阻碍了其应用，这主要是第一次循环过程中的不可逆容量损失造成的。这些损失消耗了电池中有限的活性钠，进而降低了钠离子电池的能量密度。尽管已经开发了各种方法来解决这一问题，并取得了一些成功，但对硬炭不可逆容量损失的成因任缺乏系统的了解。因此，阻碍了对硬炭制备的有效指导。

近日，来自中南大学的张治安教授与李思敏讲师，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Unveiling the Microscopic Origin of Irreversible Capacity Loss of Hard Carbon for Sodium-Ion Batteries”的研究文章。该研究文章针对微观层面上硬炭容量损失的原因尚不清楚，严重制约了硬炭负极的改进的问题。研究了影响硬炭结构和组成的两个关键阶段，即合成和储存阶段。确定了造成不可逆容量损失的关键决定因素。

基于对不同温度下硬炭结构的解析，作者得出溶剂分子可以进入生长不完全硬炭的碳层内部，从而造成不可逆的容量损失。因此，对这些开孔给予最大的关注是至关重要的，因为当溶剂分子的直径小于开孔的直径时，溶剂分子将渗透到材料的体相中。这使得材料的实际比表面积，也就是“电解液可及的表面积”远远大于材料的外表面积，从而导致过多的不可逆容量损失。

硬炭缺陷结构与不同相邻结构和微环境相结合时，其电子特性会发生变化。因此，作者将具有优异钠储存性能的样品置于恒温恒湿的受控环境中长时间暴露，研究微环境条件对碳材料表面状态的影响。结果表明经过长时间的储存，碳表面形成了一些复杂的含氧官能团，这些含氧官能团进一步增加了硬炭的不可逆容量损失。

论文研究了导致硬炭合成和储存过程中不可逆容量损失的关键因素，并阐明了钠储存过程中不可逆容量损失的潜在机制。具体来说，在硬炭合成阶段，较低的热处理温度导致碳层发育不充分，C-C键之间的原子间距较大，使得溶剂分子通过孔隙渗透到硬炭颗粒内部，最终导致过多的容量损失。此外，在硬炭储存过程中，长时间暴露于空气中会导致硬炭表面官能团的逐渐演化，从而增加了不可逆容量。这些发现为理解硬炭初始容量损失背后的机制提供了有价值的见解，并可以指导高性能钠离子电池负极材料的设计和应用。

Unveiling the Microscopic Origin of Irreversible Capacity Loss of Hard Carbon for Sodium-Ion Batteries

张治安，男，工学博士，中南大学教授，博士生导师。研究领域为新能源材料与器件，主要涉及电化学储能材料与材料冶金。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家科技支撑计划、国家863计划、湖南省自然科学基金、深圳市基础研究等项目。申请国家发明专利100余项，获得授权国家发明专利60余项。在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater. 等国际期刊上发表SCI论文200余篇，其中高被引论文10余篇。

李思敏，女，博士，讲师。2021年毕业于丹麦Aarhus University，获得材料化学博士学位，后继续从事博士后研究，期间致力于高活性、低成本的单原子催化剂用于电催化二氧化碳还原的关键技术研究。2022年回国参加工作，加入中南大学轻金属冶金学术大团队，主要从事钠离子电池、锂离子电池、电催化CO₂还原等研究，在Angew. Chem. Int. Ed.，ACS Catal.，J. Mater. Chem. A，Chem. Eng. J.，Adv. Funct. Mater.，Adv. Mater. Interfaces，J. Power Sources等国际知名期刊发表SCI论文多篇。

郑景强 目前在中南大学冶金与环境学院攻读博士学位，主要研究方向为钠离子电池硬炭负极。