研 究 背 景

钠离子电池（SIBs）因其丰富的钠资源以及与锂相似的化学特性，相较于其他金属离子电池（如锂、钾、锌和镁离子电池）逐步成为一种大型储能设备和动力电池的替代方案。由于高形成能使石墨难以形成稳定的嵌钠化合物，故石墨不适合用作SIB负极材料。在诸多开发的负极材料中，非晶碳材料（如软碳和硬碳（HC））凭借工作电位低（<0.1V）、循环过程中体积膨胀极小且前驱体资源充足等优势，成为极具前景和热度的储钠候选材料。其中，相较于软碳材料，HC在储钠方面具有更突出的容量优势；但其在初始库仑效率（ICE）和倍率性能等方面仍存在挑战。因此，开发高性能HC是SIBs研究领域一个极具热度的课题。

众所周知，结构决定性能。多样的前驱体材料为高性能HC的发展和应用提供了可持续的资源配置，同时也造成制备工艺多样化和材料结构差异化等问题。鉴于此，先进的表征技术为解析HC的真实结构，理解其储钠行为提供了多方面的证据支撑，助力高性能HC的设计开发。此外，构建结构与机理的有效表征范式，降低低关联性表征技术的应用，能提升HC结构和储钠机理解析效率，进一步缩短HC材料的设计开发周期。

成 果 介 绍

近日，江门双碳实验室先进储能材料与技术团队在Carbon Energy上发表了题为“Advances in Unraveling the Structure and Sodium-Ion Storage Behaviors of Hard Carbons: From Basic to Extended Characterization Techniques”的综述文章（DOI：10.1002/cey2.70295）。其中，郜杰昌博士和张栋祺共同为该论文的第一作者。

本综述从HC结构理论与储钠机理的发展、先进表征技术简介与分类以及先进技术剖析结构信息的应用等三个方面，系统性总结了HC结构理论与储钠行为的发展历程以及先进表征技术的最新研究进展，并结合HC发展的挑战和先进表征技术的更新迭代，提出了HC结构和储钠行为的表征范式，为先进技术在HC开发与应用过程中提供未来的发展方向。

研 究 亮 点

1. HC结构理论与其储钠行为的发展历程

全面梳理了自1940年以来80多年间HC材料结构模型的发展历程以及相关储钠行为，同时关联了相对应的表征技术，构建了“结构—储钠行为—表征技术”间的互联体系框架。

2. 表征技术的概括与应用分类

全面总结了不同光源波长尺度下表征技术的类型，介绍了表征光源波长尺度、表征技术与HC结构尺度间的密切联系；同时，提供了先进技术对HC结构表征的发展链路。

3. 多种先进表征解析HC精细结构与揭示储钠行为

系统阐述了先进表征技术在HC结构理论与储钠机理研究方面的详尽应用；全面解析了表征技术对HC结构与结构演变参数的剖析过程，提供了表征技术对结构和储钠机理研究的关键认识和未来待开发的应用方向，为构建高效的结构表征范式提供了参考。

图 文 解 析

图1 先进表征技术助力HC结构与储钠机理研究的示意图

图2 HC结构模型和相关储钠行为的发展历程

图3 光源波长尺寸与表征技术分类以及结构信息尺度间的关联

图4 XRD表征HC结构和储钠机理

图5 SAXS和WAXS表征HC结构和储钠机理

图6 XPS和XAS表征HC结构和储钠机理

图7 SEM表征HC结构和储钠机理

图8 TEM表征HC结构和储钠机理

图9 比色成像技术表征HC结构和储钠机理的

图10 FTIR表征HC结构和储钠机理

图11 Raman表征HC结构和储钠机理

图12 NMR表征HC结构和储钠机理

图13 EPR表征HC结构和储钠机理

图14 理论计算研究HC结构和储钠机理

图15 中子技术表征HC结构和储钠机理

图16 PDF表征HC结构和储钠机理

图17 DRT表征HC结构和储钠机理

图18 先进表征技术在HC结构和储钠机理研究方面的表征范式

研 究 小 结

本综述系统梳理了HC结构模型与相关储钠行为的发展历程，总结了先进表征技术在相关研究中的系统应用，并提出了针对HC结构和储钠行为研究的表征范式，即：对于伪石墨层结构或伪石墨微晶，XRD、Raman、WAXS和WANS则能有效揭示其层间距、类石墨烯层的堆叠数量以及微晶尺寸等结构特征；对于纳米孔，SAXS和SANS技术可通过基于气体物理吸附等温线的严格数据建模，实现对孔径分布、比表面积、孔体积及平均孔径等参数的定量分析；NMR和TEM能够提供互补的多尺度结构信息。尽管当前先进表征技术对于HC结构和储钠行为的表征已经形成了相对完善的表征体系和机理阐述，但仍对低电压平台区容量贡献和反应的结构贡献与机理解释存在争议：该区域的储钠容量究竟源于准金属态钠纳米团簇的形成与孔隙填充作用，还是源于钠离子在层间距扩大的区域中的可逆嵌入/脱嵌过程？因此，未来仍有一些问题有待解决，包括：

（1）考虑到各类表征方法的基础原理与局限性，应当创新性地设计并精心实现具有高时空分辨率的新型表征技术与仪器；进一步推进传统表征技术的集成及相关结果的解析工作；鉴于前驱体的多样性以及碳材料均匀性的差异，未来的研究亟需研发能够同时实现元素、时空分辨与特定位置分辨功能的多维度联合表征技术。

（2）随着计算机科学与技术的快速发展，传统研究过程中费时低效的“盲盒”式试错法将逐渐被取代，人工智能正成为协助高性能碳材料研究与预测的重要工具。借助大量已报道的材料结构、性能与结构数据，人工智能能运用多种模型来探究并预测碳材料的最佳结构配置，从而得出相应的制备参数以最终开发出高性能碳材料；同时结合优异的处理效率与分析能力，增强对材料结构的图像识别能力、优化表征参数，并加速各种表征手段与产出分析过程的集成。

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：

Advances in Unraveling the Structure and Sodium-Ion Storage Behaviors of Hard Carbons: From Basic to Extended Characterization Techniques

文章研究方向：

钠离子电池— —硬碳材料

论文网址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70295

DOI: 10.1002/cey2.70295

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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