随着可再生能源和电动交通的快速发展,对储能技术的需求日益增长[1,2](图1)。虽然锂离子电池已广泛应用于便携式电子设备和电动汽车,但锂资源分布不均及其高昂的成本使得寻找高效且低成本的替代电池系统成为研究热点[[3], [4], [5]]。钠离子电池被认为是最有前景的下一代储能技术之一,因为钠资源丰富、分布广泛且环境友好[[6], [7], [8], [9], [10]]。然而,与锂离子电池相比,钠离子的半径较大,这导致在负极材料中钠嵌入时体积变化较大,动力学性能较慢,从而影响电池性能[11,12]。因此,开发具有优异电化学性能的负极材料对于推动钠离子电池的商业化至关重要[5,13]。
近年来,人们广泛研究了多种钠离子电池负极材料,包括合金[[14], [15], [16]]、金属氧化物[[17], [18], [19]]、磷基材料[[20], [21], [22]]和碳基材料[[23], [24], [25]]。硬碳因其低成本、高比容量、优异的循环稳定性和良好的倍率性能[12,[26], [27], [28], [29]],成为钠离子电池中最有前景的负极材料之一。然而,硬碳的储钠机制仍存在争议,钠离子的行为因材料来源和结构的不同而有所差异[[30], [31], [32]]。此外,原始硬碳负极的初始库仑效率低且导电性差,主要是由于表面缺陷多和石墨化程度不足,这严重限制了其实际应用,需要进一步改进[[32], [33], [34]]。因此,探索储钠机制、开发多种硬碳负极材料并优化其结构和表面性能对于提升电化学性能至关重要。
本综述重点介绍了硬碳负极在钠离子电池中的研究进展,包括:(1)储钠机制(包括吸附、嵌入和填充的理论分析);(2)来自不同来源和制备方法的硬碳负极材料(如生物质、糖类、聚合物、石油/煤化工衍生物和废弃物);(3)优化电化学性能的策略(包括缺陷调控、孔结构设计、表面修饰、杂原子掺杂和复合改性)。最后,讨论了当前硬碳负极研究面临的挑战和未来发展方向,为高性能负极材料的发展提供了思路。