一、      研究背景

在当前能源存储需求激增的背景下，钠离子电池（SIBs）的商业化关键在于开发高性能、低成本负极材料。硬碳因其导电性好、结构稳定和原料丰富，成为最具潜力的负极候选，其结构可通过吸附、插层和填充实现储钠。然而，硬碳表面的缺陷和纳米孔易导致电解液浓度不均和副反应，造成钠离子损耗和固体电解质界面（SEI）膜不稳定，从而降低导电性和首周库伦效率（ICE），难以同时实现高容量和优异ICE。传统包覆方法如化学气相沉积能耗高、有风险，软碳包覆限制倍率性能，硬碳包覆可能引入新缺陷。因此，亟需开发新型改性策略以突破瓶颈，推动SIBs商业化。

          二、          工作简介

分子工程“点石成金”，硬碳微球焕发新活力

针对传统硬碳的性能瓶颈，该团队提出了一种创新的分子工程策略：以聚苯乙烯树脂为前驱体制备硬碳微球（CS），再通过喷雾干燥结合后氧化工艺，将煤沥青衍生的超交联稠环芳烃分子精准包覆在硬碳微球表面，形成高性能复合碳微球（HCS）。与传统化学气相沉积（CVD）涂层技术相比，该策略无需高温高能耗过程，既能减少硬碳表面缺陷，又不牺牲内部储钠位点，还能构建更丰富的封闭孔隙。其中，当煤沥青添加量为硬碳微球质量的60% 时（HCS-P-60%），电极性能达到最优：可逆容量高达332.3 mAh g^-1，首次库伦效率提升至88.5%，2 C 高倍率下仍保持246.6 mAh g^-1的容量，0.2 C循环100圈后容量保持率达95.2%。

                                 图 1. 图文摘要

         三、          核心图文解析

1.        材料制备流程图解

关键创新在于最后两步：喷雾干燥让稠环芳烃分子均匀附着在硬碳表面，然后氧化通过含氧官能团强化分子锚定，形成稳定“硬碳核心+芳烃分子壳层”结构，既修复表面缺陷，又构建高效储钠通道。

图 2. (a) 煤沥青制备多环芳烃分子修饰空心碳球表面的工艺流程示意图。(b) 氮气气氛下的热重分析曲线。(c) 傅里叶变换红外光谱图。

2.        结构表征：缺陷减少，孔隙更优

图 3. (a) CS、(b) HCS-P-60%和(c) HCS-P-100%的SEM照片；(d) CS、(e) HCS-P-60%和(f) HCS-P-100%的HRTEM照片；(g) CS与HCS-P-60%的氮气吸附/脱附孔径分布曲线；(h) CS与HCS-P-60%的小角X射线散射曲线及(i) 相应拟合曲线。

图 4. 所有样品的(a) XRD谱图、(b) Raman光谱和(c) XPS全谱；高分辨率C 1s谱图：(d) HCS-P-20%、(e) HCS-P-60%、(f) HCS-P-100%；高分辨率O 1s谱图：(g) HCS-P-20%、(h) HCS-P-60%、(i) HCS-P-100%。

通过 XRD、Raman 和 XPS 表征发现：

·         复合后的 HCS-P-60% 层间距从 4.03 Å 优化至 3.91 Å，既保证钠离子顺畅插层，又提升结构稳定性；

·         D/G 峰强度比从 1.08 降至 1.01，表明表面缺陷显著减少；

·         封闭孔隙比表面积从 100.7 m² g^-1 增至 145.2 m² g^-1，为钠离子提供更多稳定储存位点。

3.        电化学性能：容量与效率双提升

图 5. (a) CS与(b) HCS-P-60%在0.1C倍率下前三周循环的恒电流充放电曲线；(c) 所有样品在0.1C倍率下首周循环的恒电流充放电曲线及(d) 充电过程中平台区与斜坡区容量的占比分布；(e) 所有样品在不同倍率下的比容量；(f) HCS-P-60%在0.2C倍率下的循环稳定性；(g) 所有样品的首周循环伏安曲线及(h) CS与(i) HCS-P-60%前三周循环的循环伏安曲线。

核心性能对比：

·         纯硬碳微球（CS）：容量 168.8 mAh g^-1，ICE 78.8%；

·         HCS-P-60% 复合电极：容量 332.3 mAh g^-1（提升 96.9%），ICE 88.5%（提升 12.3%）；

·         倍率性能：2 C 高倍率下容量保持率达 74.2%，远超传统硬碳材料。

4.         储钠机制：吸附—插层—填充协同发力

图 6. (a) 非原位Raman测试在充放电曲线中的选定电位点及(b) HCS-P-60%在不同电位下的非原位Raman谱图；(c) HCS-P-60%在不同电位下的IG/ID值变化；(d) HCS-P-60%电极的钠离子存储机制示意图。

分子壳层的引入不仅减少了副反应，而且还优化了钠离子传输动力学，使高电位斜坡区容量占比从 35% 提升至 56%，实现容量与效率的同步提升。

四、          结论

该研究通过分子工程策略，解决了传统硬碳负极容量与首次库伦效率难以兼顾的核心矛盾。所制复合碳微球（HCS-P-60%）在容量、效率、倍率性能和循环稳定性上均实现显著提升，为高性能钠离子电池负极材料的设计提供了全新思路。

更重要的是，该方法采用煤沥青等低成本原料，制备工艺简单可控，易于规模化生产，为钠离子电池在大规模储能、电动汽车等领域的商业化应用奠定了坚实基础。未来，随着该技术的进一步优化，钠离子电池有望更快替代部分锂电市场，推动新能源产业进入“钠时代”！

New Carbon Materials 文章信息

Yong-hong YE, Xing-bo YU, Guo-li ZHANG, et al. Coating super-crosslinked polycyclic aromatic molecules on hard carbon microspheres for a sodium-ion battery anode (J/OL). New Carbon Materials, 2025, 40 (5): 1098-1112.

DOI:10.1016/S1872-5805(25)60983-8

阅读原文：

https://www.sciengine.com/NCM/doi/10.1016/S1872-5805(25)60983-8

期刊官网：

https://www.sciengine.com/NCM/home

国际版主页：

https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials

期刊公众号