研 究 背 景

硬碳负极凭借储量丰富、储钠电位低的综合优势，是钠离子电池商业化的核心负极选型，但长期受制于首次库伦效率偏低、界面极化严重、长循环稳定性不足等产业瓶颈。单一孔隙工程虽能优化离子传输路径、提升倍率性能，却会放大电解液不可逆消耗与界面副反应，始终难以兼顾高首效、高容量与长循环寿命。因此，通过分子级交联设计同步调控碳层微结构、闭孔拓扑与表面杂原子化学，构建梯度组分的稳定固液界面，是实现硬碳负极性能全面突破、推动钠离子电池规模化落地的关键路径。

成 果 介 绍

成都大学赵虔团队提出了一种基于三元分子交联耦合锌离子配位的氮氧共掺杂纳米片硬碳（UNMC）负极材料。利用脲醛树脂 - 三聚氰胺 - 2 - 甲基咪唑交联网络调控碳骨架热解演化，结合 N/O 杂原子协同极化效应强化钠离子锚定、诱导有机 - 无机梯度 SEI 膜生成，同步实现了储钠动力学提速与界面稳定性提升。该材料电化学表现突出：0.1 A g^-1下首次充电容量达 437.1 mAh g^-1、首次库伦效率 80.93%、循环 2000 次容量保持率超 84%；10 A g^-1的大电流密度下循环 10000 次仍保持稳定储钠容量；预钠化 UNMC 匹配 NVP 正极的全电池活性物质级能量密度突破 200 Wh kg^-1。该成果以 “Ternary Crosslinking Builds Nanosheet Hard Carbon and Interfacial Polarization Regulates Na⁺ Kinetics in Hard Carbon Anodes” 为题发表在 Carbon Energy 期刊上。成都大学硕士研究生蔡动柯为论文第一作者，赵虔副教授为通讯作者。

研 究 亮 点

1. 三元交联耦合锌离子软模板策略，同步调控碳层结构、闭合孔道与氮氧均匀掺杂。

2. 诱导构建有机 - 无机梯度 SEI 界面，大幅缓解界面极化，2000 圈电极循环膨胀率低至 14%。

3. 实现 80.93% 高首效与超长循环稳定性，10 A・g^-1 大电流密度下万次循环容量保持优异。

图 文 解 析

图1  UNMC 合成路径与微观形貌结构

通过三元分子交联耦合锌离子配位的可控热解策略，成功制备出有序纳米片束组装的分级硬碳材料；材料内部密布尺寸均一的闭合纳米孔，N/O 杂原子在碳骨架中实现全域均匀掺杂，为稳定储钠构筑了优良的结构与化学基础。

图2  UNMC 微观晶体与表面化学特性

材料呈现短程有序的乱层碳堆叠特征，层间距得到适度扩张以适配钠离子嵌入；孔结构以亚 2 nm 微孔为主、窄介孔为辅，表面富集吡啶氮、羰基等多种高活性极性官能团，同步兼顾离子传输通道与活性位点供给。

图3  UNMC 半电池储钠电化学性能

UNMC 负极实现 80.93% 的高首次库伦效率，在宽电流区间内均保持优异的可逆容量，兼具出色的倍率性能与超长循环稳定性；动力学分析显示赝电容储钠机制占比突出，为大电流下的快速储钠提供了核心支撑。

图4  离子迁移动力学与全电池性能

动力学表征证实 UNMC 界面电荷转移阻抗更低，钠离子在体相内扩散速率更快，有效缓解了充放电过程的界面极化；基于预钠化 UNMC 负极匹配 NVP 正极组装的全电池首效可达 95.14%，活性物质级能量密度突破 200 Wh・kg^-1，展现出良好的实用化前景。

图5  循环后 SEI 膜组分与结构演化

深度表征证实循环过程中 UNMC 表面可自发形成 “外层有机组分缓冲、内层无机组分加固” 的梯度结构 SEI 膜；膜层厚度随循环缓慢均匀增长，始终保持致密完整的形貌，可有效阻隔电解液持续分解，抑制不可逆副反应。

图6  电极体积稳定性与原位储钠机制

长循环后电极体积膨胀率仅为 14%，远优于对比材料，证明梯度界面与闭合孔结构可有效缓释循环应力；原位谱学表征清晰捕捉到充放电过程的结构演化规律，验证了 “高电位表面吸附 - 中电位层间嵌插 - 低电位闭孔填充” 的三段式可逆储钠机制。

图7  杂原子储钠效应的理论计算验证

第一性原理计算结果表明，N/O 双杂原子协同作用可显著增强钠离子的吸附结合能，重构碳基体表面的局域电子分布；该效应可有效降低钠离子界面脱溶剂化能垒，从电子层面揭示了杂原子改性提升储钠动力学的内在机理。

研 究 小 结

本研究开发了一种三元分子交联构筑的氮氧共掺杂纳米片硬碳（UNMC）负极材料，能够同步实现高首效与超长稳定循环，为破解硬碳负极界面极化严重、动力学迟缓的核心瓶颈提供了可行策略。实验表征与第一性原理计算协同表明，N/O 杂原子协同强化了钠离子锚定作用，显著降低界面脱溶剂化能垒；三元交联诱导的闭合孔 - 纳米片骨架可自发构建有机 - 无机梯度 SEI 膜，大幅削弱循环过程界面极化，2000 圈循环电极体积膨胀率仅 14%。独特的 “吸附 - 嵌插 - 闭孔填充” 三段储钠机制兼顾了快速动力学与高可逆容量，使材料实现 80.93% 的高首次库伦效率与万次大电流循环稳定性，预钠化匹配 NVP 的全电池也展现出优异的实用化潜力。本研究不仅验证了分子交联改性硬碳在钠离子电池中的应用价值，更通过同步调控碳骨架、孔道拓扑与界面化学，为高性能碳基储能负极确立了结构 - 界面协同设计的通用原则。

作者简介

【通讯作者简介】

赵虔，博士，成都大学机械工程学院副教授，硕士生导师，院专业建设办主任，成都高新区高层次“四派人才”、创业领军人才。2017年于四川大学获博士学位，2020年在四川大学从事博士后研究，长期致力于新能源电池材料与器件的前沿研究。近年来，以第一作者或通讯作者在Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Small、Journal of Energy Chemistry等高水平期刊发表SCI论文30余篇，担任多个国际期刊编委。主持国家自然科学基金、四川省科技厅项目等各级科研项目十余项，获授权发明专利7项。在教学与人才培养方面成果显著，指导学生获国家级竞赛奖项13项、省级奖项32项，立项国家级和省级大创项目二十余项，多次获评“最受学生欢迎教师”“优秀创新创业导师”等荣誉。

【第一作者简介】

蔡动柯，成都大学机械工程学院 2024 级材料科学与工程专业硕士研究生，主要从事钠离子电池碳基负极材料的结构设计、界面调控与储钠机理研究。目前以第一作者身份在Carbon Energy等SCI 期刊发表学术论文 3 篇，先后荣获国家级、省级学科竞赛奖项共 4 项。

相关论文信息

论文原文在线发表于Carbon Energy，点击“阅读原文”查看论文。

论文标题：

Ternary Crosslinking Builds Nanosheet Hard Carbon and Interfacial Polarization Regulates Na⁺ Kinetics in Hard Carbon Anodes

文章研究方向：

电池— —钠离子电池硬碳负极

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70283

DOI: 10.1002/cey2.70283

关于“Carbon Energy”

Carbon Energy

2-年影响因子 21.4

5-年影响因子 21.3

JCR分区 Q1

CiteScore 32.7

官网 www.carbonenergy.org

Carbon Energy（《碳能源（英文）》）由温州大学和Wiley携手创办，聚焦清洁能源、光电催化、新型碳制造、碳减排等领域，旨在成为国内外优秀科研成果展示的高端平台、国家重大科研战略的助推器和广大科研工作者喜爱阅读的科研工具，立志成为未来“碳时代”高影响力的学术旗舰期刊。期刊创刊主编为丽水学院校长、温州大学原副校长王舜教授。

Carbon Energy 2018年创刊，2019年入选中国科技期刊卓越行动计划“高起点新刊”，2020年获批国内统一连续出版物号，连续五年入选科技期刊世界影响力指数（WJCI）报告，连续四年入选“中国最具国际影响力学术期刊”和中国科学院材料科学1区Top期刊，连续三年入选“北京国际图书博览会中国精品期刊展”，相继被DOAJ、CAS、ESCI、Scopus、SCIE、INSPEC、CSCD、OAJ、中国科技核心期刊目录等收录，2024年入选中国高校科技期刊建设示范案例库杰出科技期刊入库案例和中国科技期刊卓越行动计划二期英文梯队期刊项目。2025年影响因子为21.4，在能源与燃料、纳米科技、物理化学三大领域位列全球期刊前九，材料科学（多学科）领域472本期刊中，位列19。在此基础上，孵化《碳中和（英文）》和《碳创新（英文）》子刊。

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