镁硝酸盐辅助氧化耦合表面包覆策略调控硬碳微结构及表面化学提升钠离子电池倍率性能

【编辑推荐】针对硬碳(HC)负极低电压平台容量不足和倍率性能差的问题，陕西延长石油集团合作团队提出镁硝酸盐(MN)辅助氧化耦合沥青基碳层包覆策略，成功制备出具有丰富闭孔结构的HC材料。优化样品PC-0.5 -1300在0.1 A g-1 下展现277.6 mAh g-1 的可逆容量（其中平台容量达181.2 mAh g-1 ），5 A g-1 高倍率下仍保持185.0 mAh g-1 的容量，为钠离子电池(SIBs)负极材料设计提供了新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，钠离子电池(SIBs)因其钠资源丰富、成本低廉等优势，成为锂离子电池(LIBs)最具潜力的替代者。然而，LIBs中成熟的石墨负极因Na⁺
半径较大及热力学限制无法适用于SIBs。硬碳(HC)材料因其独特的无序结构和丰富储钠位点被视为理想负极，但传统HC材料存在低电压平台容量(<0.1 V)不足、倍率性能差等问题，严重制约其商业化应用。陕西延长石油集团与国内高校合作团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，通过创新性的镁硝酸盐(MN)辅助氧化耦合表面包覆策略，成功实现HC材料微结构与表面化学的精准调控。

研究团队采用MN作为多功能添加剂，通过三步法制备高性能HC材料：首先利用MN的氧化性在700°C热解时引入含氧官能团；随后通过沥青包覆在碳表面形成交联结构；最终在1300°C碳化过程中，MN分解产生的MgO纳米晶作为硬模板调控孔隙结构，同时表面碳层促进闭孔形成。这种"氧化-包覆"协同策略有效解决了传统沥青基碳材料石墨化度高、缺陷多、层间距小导致的储钠性能差等问题。

【Preparation of PC-1300 and PC-x
-1300】
研究以软化点250°C、碳含量92%的沥青为原料，通过MN混合（质量比1:2）、700°C预氧化获得多孔碳PC-700，再经沥青包覆和1300°C碳化制得目标产物。对比样品PC-1300未经过包覆处理，而PC-x
-1300系列采用不同包覆量优化。

【Results and Discussion】
表征显示MN分解产生的MgO纳米晶有效抑制了石墨微晶形成，使碳层间距扩大至0.39 nm。XPS证实PC-700表面丰富的C=O/C-O键（占比28.6%）促进沥青交联包覆。电化学测试表明，优化样品PC-0.5
-1300具有最优储钠性能：0.1 A g^-1
下平台容量达181.2 mAh g^-1
，是未包覆样品的2.6倍；5 A g^-1
高倍率下容量保持率达66.6%，2000次循环后容量保持74.9%。这种优异性能源于闭孔结构提供的额外储钠位点和表面碳层改善的离子传输动力学。

【Conclusion】
该研究创新性地将MN的氧化特性与表面包覆策略相结合：MN衍生的含氧基团促进沥青交联包覆，MgO模板效应构建分级孔隙，最终形成具有优化微结构和表面化学的HC材料。所制备负极在容量、倍率性能和循环稳定性方面均取得突破，特别是平台容量提升对SIBs实际应用至关重要。研究为低成本沥青基高性能HC材料的可控制备提供了普适性策略，对推动SIBs产业化发展具有重要指导意义。