木质素基超细碳纤维的本征预钠化策略提升钠离子电池负极性能

针对硬碳基钠离子电池(SIBs)负极因氧官能团和缺陷导致的首次充电不可逆钠化问题，研究人员创新性提出基于硬木硫酸盐木质素(HKL)的本征预钠化策略。通过电纺丝-稳定化-碳化工艺制备出钠含量可调的HKL-NaX-CFs自支撑负极，系统研究了NaOH对HKL的双重预钠化/活化作用。最优样品HKL-Na2-CF在30 mA g?1下展现231.7 mAh g?1的容量，为SIBs钠离子补充机制提供了新思路。

　　

随着新能源产业对锂资源需求的激增，钠离子电池(SIBs)因其资源丰富和成本优势成为研究热点。然而，钠离子较大半径导致传统石墨负极性能受限，而生物质衍生的硬碳材料虽具潜力，却面临首次充放电过程中因氧官能团和缺陷引发的不可逆钠消耗问题。这直接造成初始库仑效率(ICE)降低和全电池能量密度损失，成为制约SIBs发展的关键瓶颈。

为解决这一难题，来自山东的研究团队创新性地利用造纸工业副产物——硬木硫酸盐木质素(HKL)的天然特性，在《International Journal of Biological Macromolecules》发表了本征预钠化策略的研究。通过调控HKL提取过程中NaOH的用量，结合电纺丝-稳定化-碳化三步工艺，成功制备出钠含量可控的自支撑超细碳纤维(HKL-NaX-CFs)。研究采用FTIR、XRD等表征手段系统分析了NaOH与HKL的相互作用机制，并通过电化学测试验证了材料性能。

主要技术方法
研究以巴西Suzano公司提供的HKL为原料，通过添加不同比例NaOH模拟提取条件，与聚乙烯氧化物(PEO)共混后采用电纺丝技术制备前驱体纤维。经280℃稳定化和1000℃碳化处理获得直径约200 nm的HKL-NaX-CFs。通过热重分析(TGA)研究NaOH对HKL热行为的影响，采用氮吸附测试表征比表面积和孔结构，并组装CR2032型扣式电池测试电化学性能。

研究结果

1. NaOH与HKL的相互作用
   FTIR分析显示NaOH与HKL的羧基和酚羟基发生中和反应形成钠盐，TGA证实NaOH使HKL热解温度降低50℃。这种相互作用在碳化过程中保留钠元素，实现本征预钠化。

2. 微观结构调控
   XRD表明NaOH处理使石墨微晶层间距从0.372 nm(HKL-CF)扩大至0.384 nm(HKL-Na2-CF)，BET测试显示比表面积从218增至407 m² g^?1。这种结构优化为钠离子提供了更多存储位点和扩散通道。

3. 电化学性能提升
   HKL-Na2-CF在30 mA g^?1下展现231.7 mAh g^?1的可逆容量，2000 mA g^?1高倍率下仍保持68.3 mAh g^?1。预钠化处理使ICE从45.3%提升至63.7%，循环100次后容量保持率达89.2%。

结论与意义
该研究开创性地利用木质素提取工艺中的钠盐残留特性，通过NaOH调控实现了碳纤维的本征预钠化。这种策略不仅补偿了SEI形成造成的钠损耗，还同步实现了材料活化，创造出具有扩层间距和分级孔道的三维导电网络。相比传统添加剂型预钠化方法，该技术避免了外来钠源的引入，更具工艺兼容性和规模化潜力。研究成果为生物质碳材料的理性设计提供了新思路，对推动可持续能源存储系统发展具有重要意义。