研 究 背 景

钠离子电池资源储量丰富、成本低廉，是大规模储能极具潜力的技术路线，而负极材料是制约其商业化的关键。硬碳因合适的工作电压、高可逆容量与优异循环稳定性，成为钠离子电池最具竞争力的负极材料。生物质基硬碳具备原料可再生、环境友好等突出优势，但生物质前驱体富含羟基基团，直接碳化易造成碳层致密堆叠，带来容量偏低、首次库伦效率差、倍率性能不足等问题。现有预处理手段，酸处理会引入大量不可逆缺陷降低首次库伦效率；碱活化容易过度刻蚀碳骨架；低温预氧化受原料、温度条件制约，工艺稳定性差。因此，开发高效、可控的前驱体改性策略，精准调控硬碳微观结构具有重要现实意义。

成 果 介 绍

西北工业大学王建淦、内蒙古工业大学魏春光等人以沙柳作为生物质原料，通过重构前驱体氧化学的改性策略，引入大量含氧官能团强化木质纤维素交联，抑制高温碳化过程碳层有序堆叠，获得具有扩大碳层间距、丰富闭孔结构的伪石墨化硬碳（HC‑O）。改性后的硬碳在 0.02 A g^-1 电流密度下可逆容量可达 360 mAh g^-1，首次库伦效率 87.4%；2 A g^-1 大电流下仍保持 225 mAh g^-1 的高比容量。借助原位 / 非原位多种表征手段解析储钠动力学与存储机制；进一步与 NVP 正极组装全电池，实现稳定循环，验证该材料实际应用潜力。该成果以“Boosting Sodium Storage Activity and Kinetics of Hard Carbon by Remodeling Oxygen Chemistry”为题发表在Carbon Energy 期刊上。

研 究 亮 点

1.氧化学重构改性新策略：对生物质前驱体进行氧化处理，引入羰基、羧基等含氧官能团，强化木质纤维素交联，从源头抑制碳层致密堆叠，诱导形成扩大层间距、富含闭孔的伪石墨化结构。

2.电化学性能综合提升：改性硬碳兼顾高容量、高首次库伦效率与优异倍率性能，0.02 A g^-1 下容量 360 mAh g^-1，ICE 达 87.4%；2 A g^-1 时容量 225 mAh g^-1，3000 次长循环容量保持率 91%，性能处于同类生物质硬碳的较高水平。

3.多手段揭示储钠机理：结合 HRTEM、SAXS、原位 EIS、DRT、GITT、TOF‑SIMS、原位拉曼等表征证实，斜坡区以钠离子表面吸附为主，平台区为碳层嵌入与闭孔内金属钠团簇填充；改性材料可生成薄且富无机 NaF 的稳定 SEI 膜，降低电荷转移阻抗，提升钠离子扩散系数。

4.全电池验证实用可行性：匹配 NVP 正极组装钠离子全电池，循环 160 周容量保持 90.64%，高倍率下可点亮 LED 面板，证明生物质改性硬碳面向储能器件的应用潜力。

图 文 解 析

图 1 生物质硬碳制备流程、前驱体 FTIR、XPS 与硬碳 HRTEM 形貌晶格表征

图 2 硬碳 XRD、拉曼、XPS 精细谱、CO₂吸附与 SAXS 闭孔结构分析

图 3 半电池 CV、充放电曲线、斜率‑平台容量拆分、倍率与长循环电化学测试

图 4 EIS、原位 EIS‑DRT 解析电极界面电荷传输动力学行为

图 5 不同扫速 CV、b 值分析、GITT 测试解析钠离子扩散动力学

图 6 SEI 膜表征、TOF‑SIMS、XPS 刻蚀、原位拉曼，揭示硬碳完整储钠机制图 7 NVP||HC‑O 全电池构型、电化学性能与器件演示

研 究 小 结

该工作提出重构生物质前驱体氧化学的改性思路，利用氧化引入含氧官能团强化木质纤维素交联，有效抑制碳化时碳层堆叠，构建出层间距扩大、富含闭孔的伪石墨化硬碳。改性硬碳实现 360 mAh g^-1 可逆容量、87.4% 高首次库伦效率，同时具备优异倍率与长循环稳定性。多种原位与非原位表征阐明储钠机制：斜坡区域对应钠离子表面吸附，平台区域对应碳层嵌入与闭孔金属钠团簇填充；改性后形成富无机 NaF 的稳定 SEI 膜，降低界面阻抗、加快钠离子扩散。全电池测试验证了该硬碳负极的实用价值。本研究为生物质基硬碳微观结构精准调控提供新思路，对开发高性能钠离子电池负极材料具有参考意义。

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：

Boosting Sodium Storage Activity and Kinetics of Hard Carbon by Remodeling Oxygen Chemistry

文章研究方向：

钠离子电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70281

DOI: 10.1002/cey2.70281

关于“Carbon Energy”

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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