研 究 背 景

钠离子电池（SIBs）因钠资源储量丰富、成本低廉，被视为支撑大规模储能的重要技术路线。硬碳（HC）因其独特的储钠机制成为最具商业化前景的负极材料。然而，当前高性能HC主要依赖树脂基前驱体，成本高昂且合成路线复杂；而生物质衍生碳虽来源广泛、成本低廉，却普遍存在首次库仑效率（ICE）低、比容量不足及高倍率长循环稳定性差等问题，根源在于闭孔含量不足与固体电解质界面膜（SEI）不稳定。传统沥青物理包覆策略虽可改善表面性质，但存在包覆不均匀、高温循环中易剥离脱落等缺陷，且无法有效调控内部闭孔结构。因此，发展能够同步优化表面SEI与体相闭孔结构的低成本双功能策略，是推动生物质基HC实用化的关键。

成 果 介 绍

上海交通大学黄富强教授等人提出了一种废弃聚氯乙烯（PVC）介导的双功能改性策略：将预碳化竹粉与废PVC复合，利用PVC的粘性实现颗粒级均匀包覆，经高温碳化后获得结构优化的硬碳（HBP）。该策略的巧妙之处在于，PVC热解脱氯过程中释放的乙烯基自由基与竹粉表面碳物种发生C–C偶联化学交联，原位构筑了约2 nm厚的致密sp²碳富集表面包覆层；同时，释放的HCl诱导碳基质内碳中心自由基浓度升高，促进了内部闭孔结构的精准构筑。由此获得的HBP实现了表面与体相的协同优化：ICE高达90.3%，可逆比容量达378.5 mAh g^-1；在15C高倍率下仍可输出208.7 mAh g^-1的容量；在5C（1.5 A g^-1）下循环8100圈后容量保持率高达93%，单圈衰减仅0.00086%。此外，该策略已成功实现公斤级放大制备，所组装Ah级软包电池（匹配NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正极）循环230圈后容量保持97.2%，能量密度达130.1 Wh kg^-1。该成果以“Mass Production of Waste PVC-Mediated Bamboo-Derived Hard Carbon for Ultra-Long Life Sodium Storage”为题发表在Carbon Energy 上。

研 究 亮 点

本研究的核心创新在于将废PVC"变废为宝"，赋予其双功能角色。其一，PVC作为"粘合剂"与"包覆前驱体"，通过化学交联而非简单物理吸附，在竹粉表面形成牢固、均匀且超薄的sp²石墨化层，有效抑制了电解液过度分解。其二，PVC脱氯原位产生的HCl充当"造孔调控剂"，通过自由基介导反应优化闭孔尺寸与体积，使闭孔体积从0.0408 cm³ g^-1大幅提升至0.0894 cm³ g^-1，为钠离子提供了丰富的低压储钠位点。其三，表面sp²碳层诱导形成了薄（2–4 nm）、均匀且富含NaF的无机主导型SEI，从根本上解决了传统有机富集SEI在循环中持续溶解-重构导致的容量衰减问题。其四，该工艺基于喷雾造粒与工业气氛炉高温烧结，可直接放大至公斤级，且对商业硬碳、木粉等其他生物质基体同样适用，展现出优异的通用性与产业化潜力。

图 文 解 析

图 1直观对比了传统沥青包覆与PVC介导策略的本质差异。传统沥青因物理包覆不均且无法调控闭孔，导致"涂层不均、闭孔稀少"；而PVC凭借粘性与化学交联，在碳化后形成"外部高石墨化、内部丰富闭孔"的功能分区结构。下方的工业流程图展示了预碳化竹粉与PVC经喷雾造粒、高温烧结制备公斤级HBP的全过程。

图 2阐明了PVC介导的热解机理。FTIR证实了前驱体中PVC特征峰的存在；TG-IR与TG-MS追踪到300–400 °C区间PVC脱氯释放HCl及氯代烃的过程；SEM显示400 °C热解后二次颗粒形貌保持完整且氯元素基本脱除。关键证据来自EPR：HBP在200–400 °C区间碳中心自由基信号显著增强，而HB在400 °C时自由基浓度已大幅下降，证明PVC脱氯产生的自由基有效促进了碳骨架交联与闭孔形成。

图 3通过多尺度表征对比了HBP与HB的结构差异。TEM显示HBP表面覆盖约2 nm的少层石墨域，内部存在大量由弯曲石墨烯层构成的闭孔，层间距扩大至0.40 nm；HB则呈高度无序结构，无明显闭孔，层间距仅0.36 nm。XRD中HBP的(002)峰向低角度偏移证实了层间距扩大；Raman的AD₁/AG比值从HB的3.97降至HBP的2.97，XPS显示HBP的C=C比例升高、C=O缺陷减少，均表明表面石墨化程度提升。SAXS与真密度数据定量揭示HBP的闭孔体积（0.0894 cm³ g^-1）较HB（0.0408 cm³ g^-1）翻倍，且平均孔径更接近钠离子存储的最优尺寸。

图 4系统评估了电化学性能。初始充放电曲线显示HBP的ICE为90.3%，可逆容量378.5 mAh g^-1，显著优于HB（78.7%，291 mAh g^-1）。倍率性能测试中，HBP在0.1C至15C各倍率下容量均大幅领先，15C时容量为HB的五倍以上。长循环方面，HBP在1C循环810圈保持98%，在5C下历经8100圈仍保持93%容量。与近期文献硬碳材料对比，HBP在ICE、容量与倍率性能上均处于领先水平。

图 5聚焦于SEI的形貌与成分。TEM显示HB循环100圈后SEI厚达5–11 nm且不均匀，400圈后增至5–20 nm；而HBP的SEI始终保持在2–4 nm，光滑均匀。TOF-SIMS三维重构显示HBP的SEI中F⁻（无机）分布均匀且强度高，有机碎片C₂H₃O⁻含量低；HB则相反。XPS深度剖析进一步证实，HBP表面SEI的NaF信号更强，而HB的有机组分（O–C=O，对应ROCO₂Na）随刻蚀深度显著增加，表明HBP形成了稳定、致密、富无机的SEI层。

图 6深入解析了储钠动力学与界面机制。CV显示HB在0.2–0.5 V的不可逆还原峰面积远大于HBP，对应更严重的溶剂分解。原位EIS与DRT分析表明HBP的SEI电阻（RSEI）显著低于HB，且极化更稳定。GITT测得的Na⁺表观扩散系数在整个充放电过程中HBP均高于HB。接触角测试表明HBP对电解液润湿性更优。原位Raman追踪到放电至0.05 V时出现1480 cm^-1新峰，对应钠-碳插层化合物的形成，证实了吸附-插层-填孔的三步储钠机制。最后，软包电池在900 mA电流下循环230圈容量几乎无衰减，验证了材料的实用价值。

研 究 小 结

本工作提出了一种以废PVC为双功能介质的硬碳结构调控新范式，通过化学交联构筑表面sp²石墨化包覆层与HCl诱导优化内部闭孔结构，同步解决了生物质硬碳ICE低、循环稳定性差和倍率性能不足的核心瓶颈。所获HBP材料兼具90.3%的高ICE、378.5 mAh g^-1的高容量、15C高倍率输出能力以及8100圈超长循环寿命，并已成功实现公斤级量产与软包电池验证。该策略不仅为高性能硬碳负极的理性设计提供了新思路，也为废弃塑料的高值化循环利用开辟了切实可行的路径，对推动钠离子电池的商业化应用具有重要意义。

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：

Mass Production of Waste PVC-Mediated Bamboo-Derived Hard Carbon for Ultra-Long Life Sodium Storage

文章研究方向：

钠离子电池

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70285

DOI: 10.1002/cey2.70285

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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