木质纤维素氧化桥接调控硬碳伪石墨域结构提升钠离子电池性能

本研究针对硬碳(HCs)作为钠离子电池(SIBs)负极材料时因碳层间距狭窄导致的储钠容量不足问题，创新性地提出木质纤维素氧化桥接策略。通过氧官能团空间位阻效应抑制热解过程中碳层有序重排，构建了具有扩层间距的短程伪石墨域结构，使HCs获得309 mAh g?1 的高容量、82.7%的首圈库伦效率及1800次循环稳定性。该工作为生物质衍生HCs的微观结构调控提供了可工业化推广的解决方案。

　　

在全球能源结构转型背景下，间歇性可再生能源的大规模并网对储能技术提出严峻挑战。钠离子电池(SIBs)凭借资源丰富和成本低廉的优势成为锂离子电池的有力补充，但其负极材料硬碳(HCs)存在固有缺陷——热力学不稳定的Na⁺
-C化合物在窄层间距中难以稳定存在，导致实际容量远低于理论值。更棘手的是，传统生物质衍生HCs在热解过程中易形成致密石墨化结构，进一步限制了Na⁺
的嵌入/脱出动力学。尽管学术界尝试通过酸碱处理、深共熔溶剂等预处理方法调控生物质前驱体，但这些工艺往往伴随复杂的废液处理和环境污染问题。

针对这一瓶颈，中国的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表了一项突破性研究。他们以核桃壳为原料，开发出气态氧化桥接新策略：通过200°C氧化预处理在木质纤维素分子中引入含氧官能团，这些基团在后续1300°C碳化过程中发挥空间位阻作用，有效阻隔芳香族片段与不饱和脂肪烃的有序堆叠，最终获得具有扩层间距(0.39 nm)的短程伪石墨域结构。这种"分子脚手架"效应使材料同时具备高导电性和丰富的Na⁺
存储位点。

研究团队采用多尺度表征技术验证材料特性。X射线衍射(XRD)和拉曼光谱证实氧化处理显著降低了碳材料的石墨化程度；透射电镜(TEM)直接观察到扩大的层间距结构；原位拉曼技术动态揭示了Na⁺
在充放电过程中的嵌入机制。电化学测试显示，优化后的HCs在0.05 A g^?1
下实现309 mAh g^?1
的可逆容量，其斜坡区容量占比达78%，表明扩大的层间距有效提升了Na⁺
的吸附存储能力。更令人瞩目的是，材料在1800次循环后仍保持91.3%的容量保持率，且组装的磷酸钒钠/硬碳全电池展现出307.5 Wh kg^?1
的能量密度。

在"材料合成"部分，研究通过精确控制氧化温度(200°C)和时间(180分钟)实现前驱体官能团的可控修饰，随后采用高温碳化(1300°C)和自然冷却获得目标产物。"结果与讨论"章节揭示：氧化过程产生的羧基和羟基通过空间位阻效应抑制石墨微晶生长，而短程有序结构有利于电子快速传输。电化学动力学分析证实材料同时存在电容型和扩散型储钠机制，其中扩大的层间距使Na⁺
扩散能垒降低至32.6 kJ mol^?1
。

这项研究的意义在于：首次阐明氧桥接对碳材料微观结构的调控机制，开发出无需复杂液相处理的绿色制备工艺。所获HCs的性能指标超越多数报道的生物质衍生碳材料，特别是82.7%的首圈库伦效率(ICE)解决了传统HCs因SEI膜过度形成导致的效率损失问题。研究团队指出，该方法可推广至其他木质纤维素原料，为SIBs负极材料的工业化生产提供了新范式。正如通讯作者Jian-Gan Wang强调的，这种"结构-性能"协同设计理念对开发下一代储能材料具有重要指导价值。