一、研究背景

随着全球能源结构向清洁化转型，储能技术的重要性日益凸显。锂离子电池虽已成熟应用，但其面临着资源紧缺和低温性能不足的问题。钠离子电池有着资源丰富、成本低廉、低温性能优异的特点，有望成为锂离子电池的有效补充。尤其在-15至-40 ^oC的极寒环境中，钠离子电池展现出更强的适应性和应用潜力。在众多负极材料中，硬炭因其高储钠容量、低工作电位、良好的结构稳定性和较低的成本，成为最具产业化潜力的负极材料。但硬炭在低温环境下依然存在离子扩散缓慢、表面副反应加剧、钠枝晶生长等问题，严重制约了钠离子电池的整体性能。如何通过材料设计与工艺优化，提升硬炭的低温性能，已成为当前钠离子电池研究的热点与难点。

图1 图文摘要

二、工作简介

该综述首先回顾了硬炭作为钠离子电池负极材料的结构特征与储钠机制，建立了硬炭作为负极材料的构效关联。硬炭由弯曲石墨烯片无序堆叠形成的复杂多级结构组成，其储钠活性位点主要包括炭纳米孔、层间距适宜的类石墨微晶区（0.36～0.4 nm）以及炭层中的各种缺陷位点（如边缘缺陷、杂原子掺杂）。文章详细阐述了目前主流的4种储钠机制模型，包括“嵌入-填充”模型、“吸附-嵌入”模型、“吸附-填充”模型以及综合性的“混合模型”，指出了不同容量区域（斜坡区 > 0.1 V，与平台区 < 0.1 V）与微观结构之间的内在关联，为进一步分析硬炭的低温衰退提供机理基础。

图2 硬炭的结构与储钠机制

随后，该综述讨论了硬炭在低温环境下性能衰减的关键机制。低温下，电解质的黏度激增（增大约20倍），同时Na⁺脱溶剂化过程受阻，固相扩散系数降低，在这些因素的共同影响下，Na⁺的传质过程受到了极大阻碍，进而带来低温性能的下降。同时Na⁺会在电极/电解质界面处发生积累，使副反应加剧，形成过厚且不稳定的固体电解质界面膜，显著增加电荷转移阻抗。更严重的是，缓慢的动力学过程极易引发钠金属在负极表面的析出与枝晶生长，不仅造成容量不可逆损失，更带来了严重的安全隐患。

最后，该综述从体相结构设计（如化学刻蚀调控孔结构与石墨层间距、构建超微孔筛分效应、制备自支撑柔性电极）、界面结构优化（如碳包覆降低比表面积、引入Zn-N₄、CoN₄等金属配合物调控SEI组成与促进离子传输）以及截止电压调控（设定安全容量限制以避免钠沉积）三大方向，全面总结了提升硬炭负极低温储钠性能的前沿策略与研究进展。

图3 SIB在低温下存在的问题

本综述针对未来低温钠离子电池的研究方向进行了展望：(1)优化电极-电解质界面，通过调控表面形貌与引入官能团增强钠离子亲和力，提升循环稳定性与能量密度。(2) 揭示低温下硬炭中Na⁺的脱溶剂化与扩散机理，以指导电解质设计与硬炭结构调控。(3)开发适用于低温的集成电极-电解质系统，研究其在提高离子电导率、抑制副反应及保持容量方面的协同作用。

New Carbon Materials 文章信息

CUI Zhe, LI Bing-yu, XIONG Hang, LI Tian, XIE Ming-xin, HU Jing-ying, QIU Xia, GUI Zhu-qin, ZHOU Rui, SHI Li-luo, JU Zhi-cheng, CHEN Ya-xin. A review of ways to improve the performance of hard carbon anodes in low-temperature sodium-ion batteries. New Carbon Materials, 2025, 40(6), 1246-1264.

崔喆，李冰语，熊航，李恬，谢明心，胡静莹，仇霞，桂烛琴，周蕊，石利泺，鞠治成，陈亚鑫. 低温钠离子电池中硬炭负极性能的提高策略 [J]. 新型炭材料（中英文）2025, 40(6), 1246-1264.

DOI:10.1016/S1872-5805(25)61022-5

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