【仪表网 研发快讯】钠离子电池是一种面向低成本、中短时、规模储能需求最具前景的解决方案，但其硬碳负极制造成本高、容量较低、首次库伦效率低、动力学缓慢等问题严重制约了钠离子电池的实际应用。高性能硬碳的研发需要攻克如下问题：一方面，硬碳储钠的活性结构仍不明确，严重制约了硬碳的结构设计；另一方面，目前缺少低成本、高储钠容量、可宏量制备的硬碳材料。
针对此，中国科学院新疆理化技术研究所环境科学与技术研究室的科研人员针对硬碳储钠比容量低的问题，通过将N、S、O引入硬碳前驱体，研究杂原子热解所构建孔结构及其储钠行为，开发了杂原子热解构建储钠闭孔的合成策略(图1)。利用该策略制备的硬碳材料具有丰富的孔(0.5∼0.9 nm)和表面羰基官能团。特殊的孔结构显著增加平台容量，而羰基官能团诱导富无机的固体电解质界面进而提升了初始库仑效率。此类硬碳材料同时具有 352.9 mAh/g 的高可逆容量和 88.0%的首次库伦效率。相关研究以"Molecular engineering of pore structure/interfacial functional groups toward hard carbon anode in sodium-ion batteries”为题发表于《Energy Storage Materials》上，第一作者为博士研究生刘雨，通讯作者为朱慧研究员。(Energy Storage Materials,2025,75,104008.)
图1. 杂原子热解构建储钠闭孔的合成策略
硬碳的平台容量对于实现高能量密度的钠离子电池至关重要。然而，高电流密度下极化导致的平台容量损失对严重限制了钠离子电池技术的实际应用。超微孔可以在高电流密度提供较高的平台容量，但目前构建超微孔的同时常伴随大量的微孔和介孔结构，严重降低储钠平台容量和首次库伦效率。新疆理化所研发团队通过质子化介导策略制备了孔径集中于0.4–0.8 nm的超微孔硬碳(图2)。研究表明，P杂原子减弱了N和C原子间的相互作用，从而使N以NH3小分子限域热解，导致具有特定孔径超微孔的形成。所研发硬碳具有386 mA h/g的可逆容量，20 mA/g电流密度下173 mA h g 的高平台容量和2 A/g电流密度106 mAh/g的良好倍率性能。相关研究成果以“Ultra-micropores of hard carbons for ultrafast Na-ion storage”为题发表于《Journal of Materials Chemistry A》上，第一作者为新疆师范大学联合培养硕士研究生张虎，通讯作者为殷娇、尹健研究员。(Small,2025,21,2409116)
图2. 超微孔的构建策略
基于以上研究成果，科研人员以新疆特色准东煤和生物质为原料，对储钠硬碳产品研发关键核心技术进行了科技攻关。针对煤芳环π-π堆积的致密结构难以调控构建储钠微晶和孔结构的难题，系统分析了不同煤质结构，以准东低阶高碱煤为原料，充分利用煤中盐的原位模板活化效应和脂肪链烃挥发热解作用，成功开发了高可逆容量(340 mAh/g)、高首次库伦效率(88%)的煤基储钠硬碳。相关研究成果以“Uncovering the Salt‐Controlled Porosity Regulation in Coal-Derived Hard Carbons for Sodium Energy Storage”为题发表于《small》上，第一作者为新疆大学联合培养硕士研究生吴芮瑶，通讯作者为殷娇研究员。另一方面，团队以新疆特色棉秆果木为原料，采用分子水平热解强化造孔机理，开发了高倍率的生物质基硬碳材料。目前的研究进展不仅对硬碳储钠结构的基础研究提供了新思路，同时为实现高能量和高功率钠离子电池提供了新的解决方案。(Journal of Materials Chemistry A,2025)
以上工作得到了科技部国家重点研发、国家自然科学基金面上项目、新疆维吾尔自治区重点研发和两区项目、中国科学院青年创新促进会、新疆维吾尔自治区天山英才和天池人才计划等项目的资金支持。
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