近日，哈尔滨工业大学航天学院/郑州高等研究院先进光电技术研究院宋波教授团队针对钠离子电池硬碳负极的重大应用需求，以花生壳为原料，成功研制出低成本、绿色环保且性能优异的生物质基硬碳电极材料。相关研究成果以《伪石墨域与闭孔结构的协同调控构建高性能储钠硬碳材料》（Biomass-Derived Hard Carbon with Optimized Pseudo-Graphitic Domains and Closed Pores for High-Performance Sodium Storage）为题，作为封面论文发表于材料领域国际顶级期刊《纳米快报》（Nano Letters）上。该研究成果有望显著推动生物质基硬碳材料在钠离子电池领域的产业化应用进程。
图1. 报道封面
生物质衍生硬碳材料凭借其来源广泛、成本较低、环境相容性好及较高的可逆比容量，已成为钠离子电池负极领域的重要候选材料。然而，受生物质前驱体自身组成与结构不均匀的限制，直接碳化制备的硬碳往往在电化学性能上难以达到实际应用要求。当前常见的改性方法大多依赖强酸、强碱或有机溶剂对前驱体进行预处理，旨在去除杂质并调节组分比例，以提升其反应活性。然而，这类工艺常需要使用强腐蚀性化学试剂，且后续涉及清洗与废液处理步骤，不仅增加了工艺复杂度与成本，也对其环境友好性和规模化生产的可行性带来制约。此外，现有方法在硬碳微观结构的精细调控，例如：伪石墨域的尺寸与曲率、闭孔的数量与分布等方面仍然存在显著局限，并且往往伴随着一定的环境风险或材料结构稳定性不足的问题。
图2. 花生壳基硬碳材料的制备流程、性能表现以及储能机制
针对上述问题，本研究团队提出了一种绿色简便的一步预处理方法，通过精确调控花生壳前驱体的组分，同步实现了硬碳材料中伪石墨域与孔隙结构的协同优化。该策略在热解过程中不仅有效扩大了（002）晶面间距，促进了更为发达的伪石墨域和闭孔的形成，同时诱导产生了分布集中的微孔结构。上述多尺度结构的协同作用，显著改善了钠离子的扩散动力学并增强了电极的稳定性。所得硬碳负极材料呈现出卓越的电化学性能：其首周库伦效率达到88.6%，可逆容量为401 mAh/g，在3.0 A/g的高倍率下经历4500次循环后容量保持率高达93.1%。通过原位Raman和原位XRD分析，明确了钠离子在材料中的嵌入/脱出行为；结合分子动力学（MD）模拟与密度泛函理论（DFT）计算，从原子尺度揭示了PSHC-7性能提升的结构起源。此外，以此负极与磷酸钒钠正极匹配构建的全电池也表现出良好的整体性能，进一步证明了其在实际钠离子电池中的应用潜力。
哈工大为论文第一完成单位和通讯单位，哈工大航天学院/郑高院宋波教授、贵州梅岭电源有限公司/特种化学电源全国重点实验室谭思平高级工程师、哈工大郑高院博士后副研究员王珍珠为论文共同通讯作者，哈工大郑州专项博士生宋佳为论文第一作者。该研究获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金会、黑龙江省头雁团队以及哈工大郑高院院设科研项目的大力支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.5c05847
信息来源：新能源半导体团队
编辑&排版：杨贝
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