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南开大学焦丽芳AM：新型复合空心储钠碳负极，4万次循环无衰减！

邃瞳科学云

2025-09-04

第一作者：Honglei Jiang, Zhiqin Sun

通讯作者：焦丽芳，王庆伦

通讯单位：南开大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202509953

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【重要突破】碳负极充电慢？超4万次循环几乎无衰减的钠电池来了！

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传统碳质负极因钠离子嵌入/脱出速度慢，始终制约快充性能。南开大学化学学院焦丽芳教授团队最新研究通过优化‌g-C₃N₄@空心碳负极‌（CN@HCS），实现三大突破：

◆ g-C₃N₄的sp²杂化碳氮键（N=C=N活性位点）与π共轭体系，构筑高效电子传输通道！‌ g-C₃N₄超轻特性可显著降低对能量密度的影响。

◆ 4万次超长循环‌，容量近乎零衰减！

◆ 全电池体系可实现0.1 h快充，并维持1 h稳定放电，实现充放电效率的突破性平衡。

背景介绍

在全球碳中和浪潮的推动下，能源结构转型正加速向电化学储能领域倾斜。钠离子电池（SIBs）凭借钠资源全球分布广、与现有锂电生产线高度兼容等显著优势，已成为电网储能和低成本动力电源的重要选择。然而，当前SIBs仍面临功率密度与能量密度难以兼顾的技术瓶颈，这直接制约了其大规模商业化应用的进程。

作为决定电池性能的关键组件，负极决定着电池的储能能力。碳基负极材料普遍存在钠离子扩散速率慢、固液界面不稳定等固有缺陷。传统碳材料在Na⁺嵌入/脱出过程中表现出较差的动力学特性，严重限制了电池的快充性能；而通过多孔结构设计提升反应速率的方案，又会加剧电极与电解液间的副反应，这种性能与稳定性的矛盾已成为阻碍全电池实用化的核心难题。因此，亟需通过界面工程与结构设计的协同创新，突破碳基负极在倍率性能和循环稳定性方面的技术瓶颈。

本文亮点

(1) g-C₃N₄的π共轭体系与HCS形成协同导电网络，提升电子传导效率，同时选择性屏蔽电子，减少副反应。同时，g-C₃N₄超轻特性可显著降低对能量密度的影响。

(2) 多种原位表征结合理论模拟等多种表征手段证实表面有序的‌g-C₃N₄惰性层促进FEC中C-F键的断裂并促进还原分解，生成的NaF富集于SEI内层，形成“内层无机和外层有机的复合SEI。

(3) 高倍率、长寿命：40 A g^-1高倍率下容量可保持102 mAh g^-1，同时在20 A g^-1下循环40000次容量几乎无衰减（基于酯基电解液）。

(4) 配合商业正极组装全电池，功率密度 21600 W kg^-1，能够实现0.1h快充与1 h小时稳定放电，兼顾快充与续航。

图文解析

CN@HCS材料通过空心球形结构设计，显著缩短Na⁺扩散路径。表面均匀分布的g-C₃N₄包覆层形成有序-无序异质结构，XRD和拉曼光谱证实了涡旋碳化与π-π相互作用的协同效应，材料表征进一步验证了该复合材料的低缺陷特性和结构稳定性。

CN@HCS展现出优异的电化学性能：在40 A g^-1高倍率下仍保持102 mAh g^-1的可逆容量，且循环后容量可恢复至271 mAh g^-1（图2e），更在20 A g^-1下能够实现40,000次循环几乎无衰减（图2d）。

原位XRD和ATR FT-IR证实CN@HCS采用吸附-插层的储钠机制，其表面g-C₃N₄包覆层能够显著提升FEC利用率并形成富NaF的稳定SEI层（通过原位DEMS验证，图2d）。理论模拟进一步显示该结构可降低Na⁺迁移能垒。

CN@HCS表面具有更平整、均匀特征，并且循环后形貌保持稳定。分析测试表明，CN@HCS电极的SEI层厚度均匀，内层为致密无机相，外层主要为有机非晶态，有助于提升电解液界面稳定性。

为评估材料的实际应用性能，本研究选用焦磷酸铁钠NFPP正极材料与CN@HCS负极匹配组装全电池。可以看出，经过3000次循环后，单周容量衰减低于0.4%，并具有接近100%的CE。结果表明，优化负极材料对发挥正极理论容量和倍率性能至关重要。因此，全电池可实现0.1 h快速充电，并可以维持1 h的稳定放电，实现了充-放电效率的突破性平衡。

总结与展望

HCS通过g-C₃N₄表面修饰实现三重优化：①降低比表面积屏蔽缺陷，抑制副反应；②促进FEC还原形成富无机相SEI；③构建π共轭电子通道加速电荷传输。该复合材料在酯基电解液中展现超长循环寿命与接近100%的库仑效率。进而组装的全电池具备快充-慢放能力，为碳基钠电负极设计提供了新策略。

课题组简介

焦丽芳，南开大学化学学院教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，国家重点研发计划项目氢能专项首席科学家。荣获天津市自然科学一等奖（第一完成人）、第十八届中国青年女科学家奖。担任Battery Energy副主编，eScience、Chinese Chem. Lett.期刊编委，中产协静电纺专委会副主任委员，天津市储能学会理事。在Nat. Commun.、JACS、AM、Angew、Chem. Soc. Rev.等期刊上发表SCI论文320余篇，总引用30,000余次，H因子92。

王庆伦，南开大学化学学院副教授。1994-1998年在河南大学化学化工学院攻读学士学位，1998-2003年南开大学化学学院攻读博士学位，师从廖代正教授，2003年7月博士毕业留校工作至今。2011-2012年赴美国Texas A&M大学化学系做访问学者。2019-2020年在国家自然科学基金委化学科学部做流动项目主任。先后主持4项国家自然科学基金和2项天津市自然科学基金项目。目前已在国内外学术刊物上发表SCI收录论文160余篇，其中包括AM、Angew、Reasearch、Inorg. Chem.、Dalton Trans.等国际顶级权威期刊。