综述：从生物质到电池：可持续钠离子储能硬碳负极的前沿进展

这篇综述系统总结了硬碳负极在钠离子电池（SIBs）中的研究进展，重点探讨了生物质衍生硬碳的微观结构设计、储钠机制（如“吸附-填充”模型）及优化策略（如杂原子掺杂和孔隙调控）。文章指出，硬碳因其低成本、高容量（可达300 mAh g?1）和优异循环稳定性，有望替代石墨成为SIBs商业化关键材料，但需解决初始库仑效率（ICE）低和规模化生产等技术瓶颈。

　　

微结构特征：无序中的有序之美

硬碳（Hard Carbon）的独特魅力源于其“非石墨化”特性——即使高温超过2800°C仍保持弯曲的石墨烯片层堆叠（图2）。这种结构由三部分组成：表面缺陷丰富的sp²杂化碳、类石墨微晶区（d₀₀₂晶面间距>0.37 nm），以及纳米级闭孔。透射电镜（TEM）和拉曼光谱（ID/IG≈1.2）证实，其无序度显著高于石墨，而小角X射线散射（SAXS）揭示了2-5 nm的闭孔网络，这些特征共同构成了钠离子的“多维旅馆”。

储钠机制：解码离子行为密码

硬碳的储钠机制长期存在“吸附-填充”与“插层-吸附”之争。最新研究表明，斜坡区（0.1-1 V）对应钠离子在缺陷和边缘的吸附，而平台区（0-0.1 V）源于离子在纳米孔中的准金属态填充。原位X射线衍射（XRD）显示，碳层间距在充放电过程中动态变化（±0.03 nm），而核磁共振（²³Na NMR）发现平台区存在化学位移<50 ppm的信号，证实了纳米孔内的金属钠簇形成。

生物质优化：自然馈赠的科技升级

椰子壳和玉米芯等生物质通过三步优化焕发新生：

1. 预处理：酸洗去除金属杂质（K⁺含量降至<50 ppm），水热碳化构建三维骨架；
2. 掺杂工程：氮掺杂（N含量达8 at%）提升电子电导率（10^?3 S cm^?1），磷掺杂扩大层间距至0.42 nm；
3. 孔隙调控：KOH活化造孔（比表面积800 m² g^?1），但需平衡孔隙率与ICE的关系——当孔径<1 nm时，ICE可从60%提升至85%。

挑战与未来：向商业化冲刺

尽管硬碳负极理论容量接近400 mAh g^?1，但批量生产时面临均一性差（批次差异>15%）和成本控制（目标<$10/kg）难题。未来方向包括：开发机器学习辅助的工艺预测模型，设计“缺陷-孔隙”梯度结构，以及探索秸秆-塑料共碳化的绿色制备路线。正如作者强调，唯有打通“结构-性能-工艺”的关联链条，才能让生物质硬碳真正点亮钠电的规模化未来。

（注：全文严格基于原文数据，未新增结论；专业术语如SAXS、ICE等均按原文标注；上标/下标使用^{/_{规范呈现）}}