综述:钠离子电池用硬碳负极的进展:储存机制、前驱体及优化策略

时间:2025年10月8日
来源:Journal of Energy Storage

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硬碳作为钠离子电池阳极材料具有成本低、容量高、稳定性好等优势,但其钠存储机制(离子插入/孔隙填充/表面吸附)、前驱体来源(生物质/多糖/聚合物/化石衍生品)及优化策略(缺陷调控/孔设计/表面修饰/掺杂复合)仍需深入研究。通过分析不同结构特性与电化学性能的关联,提出缺陷工程、多级孔构建、表面功能化等提升方案,并展望未来研究方向。

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周宇|周柳洲|尤子涵|赵超贤|杨继远|黄森|王敏旭|钟启帆|肖金
中南大学冶金与环境学院,中国长沙

摘要

硬碳因其丰富的前体来源和较低的生产成本,已成为钠离子电池中最有前景的负极材料之一。尽管具有这些优势,其储钠机制仍不完全清楚,诸如初始库仑效率低和电化学性能不佳等问题仍需通过进一步优化来解决。本综述系统总结了硬碳负极的最新进展,特别关注其储钠机制,包括离子嵌入、纳米孔填充和表面吸附行为。此外,还深入分析了不同硬碳前体(如生物质、糖类、聚合物以及石油/煤化工衍生物和废弃物)的结构特性与电化学性能之间的关系。同时,讨论了多种优化策略,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,以提高硬碳的储钠性能和循环稳定性。最后,指出了该领域面临的关键挑战和未来的研究方向,为高性能硬碳负极在下一代钠离子电池中的合理设计与实际应用提供了见解。

引言

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。

章节片段

硬碳的储钠机制

与石墨负极不同,硬碳材料的储钠机制更为复杂,这与其独特的微观结构有关(见图2)。多种结构参数会影响储钠性能。理想的硬碳负极应具有适当的比表面积、良好的电解质化学相容性、高储钠容量、优异的热稳定性,并且成本低廉[35]。因此,设计硬碳负极的关键在于...

硬碳的各种前体

钠离子电池用硬碳负极材料的制备很大程度上取决于前体的选择。不同类型的前体不仅显著影响硬碳的微观结构和电化学性能,还直接影响材料的成本和环境友好性。在实际研究和应用中,硬碳前体来源于多种来源,包括生物质、糖类、聚合物和石油/煤...

硬碳的优化策略

尽管硬碳在钠离子电池中表现出许多优点,但其性能仍受多种关键因素的限制,如初始库仑效率低、储钠容量有限、倍率性能不佳和循环稳定性差[[83], [84], [85]]。这些瓶颈严重阻碍了硬碳作为钠离子电池负极材料的商业化[86,87]。为了解决这些问题,研究人员提出了一系列...

结论与展望

关于钠离子电池用硬碳负极的研究取得了显著进展,加深了我们对储钠机制、前体选择和结构-性能关系的理解。目前的吸附-嵌入-填充模型为描述钠离子嵌入过程提供了最连贯的框架,但它仍存在一些不确定性——尤其是在区分超微孔和结构...

CRediT作者贡献声明

周宇:撰写 – 综述与编辑、原始草稿撰写、方法学研究、概念构思。周柳洲:方法学研究、概念构思。尤子涵:指导、研究、概念构思。赵超贤:撰写 – 综述与编辑、指导、资源提供。杨继远:撰写 – 综述与编辑、指导、资源提供。黄森:撰写 – 综述与编辑、指导、资源提供。王敏旭:撰写 – 综述与编辑、指导、资源提供。钟启帆:

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在研究过程中或生成任何对本文原创性或创造性有实质性贡献的内容时,未使用人工智能工具。它们的应用仅限于语言润色和语法修正。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划(编号:2024YFC2910800)、国家自然科学基金(编号:52174338、52374421、52404318)、湖南省科技创新计划(编号:2024RC3039)、中国科协青年精英科学家资助计划(编号:YESS20210258)、中南大学创新驱动研究计划(编号:2023CXQD005)、湖南省教育厅(编号:23B0841)和云南省科学...的支持。

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