调控硬碳负极闭孔结构以提升钠离子电池低电压平台容量的创新策略

本研究针对硬碳(HC)负极材料在钠离子电池(SIBs)中低电压平台容量不足的关键问题，提出了一种原位模板蚀刻策略，成功构建了具有0.45 nm最优闭孔结构的ZnG3-1400负极材料。该材料展现出310 mA h g?1 的可逆容量（其中平台容量达192 mA h g?1 ）、88%的初始库伦效率(ICE)以及优异的倍率性能（6C下保持203 mA h g?1 ）。通过DFT计算证实闭孔尺寸与钠存储能力的构效关系，与Na3 V2 (PO4 )3 正极组装的电池实现275 W h kg?1 的能量密度，为SIBs商业化提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，锂资源短缺问题日益凸显，钠离子电池(SIBs)因其成本优势和与锂离子电池相似的工作原理成为研究热点。然而，SIBs的商业化进程面临一个关键瓶颈：传统石墨负极与钠离子不兼容，而最具潜力的硬碳(HC)负极材料又存在低电压平台容量不足的缺陷。这个平台区域对应着Na⁺
在伪石墨结构中的插层和闭孔填充过程，直接决定着电池的能量密度。当前大多数研究聚焦于通过增加比表面积或引入缺陷来提升高电压斜坡区容量，但这往往以牺牲初始库伦效率(ICE)为代价，可谓治标不治本。

针对这一行业痛点，江苏大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项突破性研究。他们创新性地采用原位纳米ZnO模板蚀刻策略，精确调控硬碳的闭孔结构，成功实现了低电压平台容量的显著提升。这项研究不仅解决了SIBs能量密度不足的核心问题，还通过系统的构效关系分析，揭示了0.45 nm闭孔尺寸作为"分子筛"对钠存储的关键作用。

研究团队主要采用了三种关键技术：1）以葡萄糖酸锌为模板剂的可控制备技术，通过碳化温度(450°C)和锌含量调控闭孔结构；2）结合小角X射线散射(SAXS)和气体吸附等表征手段的多尺度孔隙分析；3）基于密度泛函理论(DFT)的闭孔尺寸效应模拟计算。这些方法的综合运用为理解闭孔结构与电化学性能的关联提供了全面视角。

【材料制备】部分详细阐述了通过机械混合锌葡萄糖酸盐与葡萄糖前驱体，经分步碳化（450°C预碳化+1400°C高温处理）和酸洗蚀刻的制备流程。这种原位生成的纳米ZnO模板在高温下被碳层包裹形成闭孔，后续酸洗去除残留模板后留下精确控制的孔隙结构。

【结果与讨论】部分揭示了三个重要发现：首先，SAXS和HRTEM证实ZnG3-1400样品具有0.45 nm的均匀闭孔分布，这种尺寸恰好允许Na⁺
的嵌入而不破坏碳骨架稳定性；其次，电化学测试显示该材料在0.1C下展现192 mA h g^?1
的平台容量，占总容量的62%，远优于传统HC材料；最后，DFT计算表明0.45 nm孔洞具有最大的Na⁺
吸附能(-3.02 eV)，从理论上验证了实验观察结果。

【结论】部分强调了这项工作的双重突破：一方面开发了简单可扩展的闭孔工程策略，使HC负极的ICE提升至88%，1000次循环后容量保持率达63.5%；另一方面建立了闭孔尺寸-储钠性能的定量关系，为后续材料设计提供了理论指导。当与Na₃
V₂
(PO₄
)₃
正极匹配时，全电池能量密度达到275 W h kg^?1
，这一数值已接近商用锂离子电池水平。

这项由Zheng Wang、Wei Liu等学者完成的研究，不仅解决了SIBs负极材料的关键科学问题，其提出的"孔径精准调控"理念更可推广至其他储能体系。特别值得注意的是，作者通过巧妙的原位模板设计避免了传统造孔剂造成的比表面积过大问题，在提升容量的同时维持了高ICE，这种"鱼与熊掌兼得"的策略显示出极高的工业转化价值。该成果为发展下一代低成本、高能量密度储能系统奠定了重要基础。