生物质衍生硬碳的氮掺杂策略优化及其在钠离子电池中的性能提升研究

本研究针对钠离子电池(SIBs)负极材料性能瓶颈，通过樱桃核生物质制备硬碳(HC)，系统探究尿素后掺杂对材料结构及电化学性能的影响。实验表明氮掺杂可将HC容量从206 mAh g-1提升至274 mAh g-1（20 mA g-1），并在1 A g-1高倍率下保持110 mAh g-1容量，为开发高性能SIBs负极提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，钠离子电池(SIBs)因其原料丰富、成本低廉等优势，成为锂离子电池(LIBs)的重要补充。然而，SIBs的发展受限于负极材料性能——较大的钠离子半径(1.02 ?)导致传统石墨负极容量不足。硬碳(HC)因其独特的无序层状结构和适宜层间距(0.38-0.42 nm)，成为最具前景的SIBs负极材料。但现有HC材料仍面临容量偏低、倍率性能差等挑战，亟需通过改性策略提升性能。

在此背景下，研究人员以樱桃核为生物质前驱体，系统研究了碳化温度(800-1500°C)和氮掺杂策略对HC性能的影响。通过多尺度表征发现，后氮掺杂能有效调控材料微观结构，在1000°C碳化温度下实现5.7%氮含量，使容量提升33%。该工作发表于《Carbon Trends》，为生物质衍生碳材料的精准调控提供了重要参考。

研究采用的关键技术包括：1) 梯度温度碳化法(800-1500°C)制备系列HC材料；2) 尿素固相混合法实现氮掺杂；3) 通过XRD、拉曼光谱等分析材料结构特征；4) 采用三电极体系测试电化学性能；5) 运用恒电流间歇滴定技术(GITT)研究钠离子扩散动力学。

【3.1 形貌分析】SEM显示所有HC材料均呈现5-20 μm的多孔结构，TEM证实1000°C样品为无序碳层，1200°C开始出现伪石墨域，1400°C时伪石墨域尺寸增大。这表明高温促进石墨微晶生长。

【3.2 XRD分析】衍射峰右移现象表明，随着碳化温度从800°C升至1400°C，层间距从0.388 nm缩小至0.380 nm。后氮掺杂样品(1000°C)层间距保持0.383 nm，说明掺杂主要影响表面化学性质而非主体结构。

【3.3 拉曼光谱】I_G/I_D比值随温度升高而增大(0.40→0.47)，证实石墨化程度提升。后氮掺杂使该比值降至0.33，表明氮原子引入增加了结构缺陷。

【3.4 元素分析】1400°C样品氮含量骤降，证实高温导致杂原子流失。后掺杂在1000°C实现5.7%氮含量，显著高于同温度未掺杂样品(2.1%)。

【3.5 电化学性能】1500°C样品在20 mA g^-1下展现最高容量(304.8 mAh g^-1)，但高倍率性能差(1 A g^-1时仅53 mAh g^-1)。后氮掺杂样品在保持中等容量(263.6 mAh g^-1)的同时，1 A g^-1容量达110 mAh g^-1，优于所有未掺杂样品。GITT分析显示掺杂后Na⁺扩散系数提升1个数量级。

该研究得出以下重要结论：1) 碳化温度通过调控石墨微晶尺寸和层间距影响HC储钠行为，高温(>1400°C)有利于提升平台容量但损害倍率性能；2) 后氮掺杂在保持适宜层间距的同时，通过表面改性显著提升材料导电性和界面电荷传输动力学；3) 在1000°C实现氮掺杂量(5.7%)与石墨化程度的平衡，是获得综合性能最优材料的关键。这些发现为设计"高容量-高倍率"协同的HC负极提供了新思路，推动SIBs在规模储能领域的实用化进程。

值得注意的是，研究也揭示当前技术的局限性：高温碳化与氮掺杂存在本征矛盾——前者需要减少杂原子以提高石墨化程度，后者则依赖杂原子引入。未来研究或可通过原位掺杂、梯度温度处理等策略进一步突破性能瓶颈。该工作不仅为生物质资源高值化利用提供范例，也为其他碱金属离子电池负极材料设计提供了重要借鉴。