张久俊院士/赵玉峰Small：调节硬碳的石墨畴以实现高速率和稳定的钠存储

树脂衍生的硬碳（HCs）通常对钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（KIBs）都表现出优异的电化学性能，但其高价格和高温热解（≈1500°C）阻碍了其实际应用。

在此，上海大学张久俊教授及赵玉峰教授等人以酚醛树脂（2000 $/t）和沥青（300 $/t）为前驱体，调节沥青的重量比（10~30%）和热解温度（800~1300℃）来控制硬碳的微孔形态和纳米结构，以提高储钠材料的性能并促进其商业应用。沥青和树脂的相互交联有助于形成大量短石墨层并减少比表面积和微孔，这减少了与电解液的接触面积同时提高了复合材料的导电性和充放电过程中的循环稳定性。

优化后的样品（HC-0.2P-1000）具有349.9 mAh g^-1的高可逆容量、极其优异的倍率性能（145.1 mAh g^-1@20 A g^-1）和超高循环稳定性（在1 A g^-1下2500次循环后容量保持率为94.5%）。此外，HC-0.2P-1000还具有出色的钾存储性能（321.9 mAh g^-1）。

图1. HC-0.2P-1000的储Na/K性能

当与Na₃V₂(PO4)₃正极结合时，钠离子全电池表现出251.1 Wh kg^-1的高能量密度和出色的稳定性，在 1 A g^-1下循环450次后容量保持率为73.3%。作者通过原位和非原位技术探测硬碳中确切的钠存储机制。

首先，钠离子被吸附在材料表面的孔隙和缺陷部位，然后当电压降至 0.40 V 时，钠离子开始嵌入石墨化碳层。当电压达到 0.10 V 时，就会发生纳米孔的填充，嵌入可能发生在整个低电压区域。

此外，石墨碳层和醚电解质的调控可以有效改善硬碳的动态特性并提高倍率性能。深入的机理研究为提高碳材料后期的倍率性能和稳定性提供了独到见解，也有助于低成本碳负极材料在SIBs和KIBs领域的商业化进程。

图2. 储钠机制探究及钠离子全电池性能

Modulating the Graphitic Domains of Hard Carbons Derived from Mixed Pitch and Resin to Achieve High Rate and Stable Sodium Storage, Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202105568

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