Advanced Energy Materials：硬炭材料的储钠机制研究-改进的“吸附-嵌入”模型

  硬炭材料比容量高、结构稳定且制备工艺简单、环境友好，是最具商业化前景的钠离子电池负极材料。然而，目前硬炭材料的储钠机制国内外还存在争议，充放电曲线上高电压的斜线区和低电压的平台区的归属一直未能取得一致的认识，制约了高性能硬炭负极材料的结构设计和开发。

该工作以银杏叶为前驱体，通过调控热解温度在600-2500 ℃的宽温度范围内，制备了一系列不同微结构的硬炭材料。基于对其微观结构和储钠行为随热解温度的演变规律的系统分析和关联，并结合理论计算，提出了一种改进的“吸附-嵌入”模型。根据层间距的大小，将硬炭的微晶结构分为高度无序相(d₀₀₂>0.4 nm)、准石墨相(d₀₀₂=0.36-0.40 nm)和类石墨相(d₀₀₂<0.36 nm)三种类型。高度无序相的层间距足以使钠离子在其中自由进出，因而同孔隙、边缘、杂原子等传统“缺陷”类似，表现为“准吸附”型的储钠行为，对应于充放电曲线上0.1 V以上的斜线区；准石墨相可以进行钠离子的层间嵌入，充放电曲线表现为0.1 V以下的平台区，理论储钠容量为279 mAh g^-1（对应于NaC₈的形成）；类石墨相由于层间距太小，钠离子难以进入，不能提供储钠容量。由于硬炭材料的结构不均一，因此通常是几种储钠机制共存。结合实验研究和理论计算的结果，首次提出硬炭的理论储钠容量为279 mAh g^-1（对应于NaC₈的形成）。改进的“吸附-嵌入”模型可以很好地解释硬炭微观结构和储钠行为随裂解温度的演变过程，对高性能钠离子电池硬炭负极材料的结构设计和调控具有重要的指导意义。

该工作以“Extended “Adsorption-Insertion” Model: A New Insight into the Sodium Storage Mechani** of Hard Carbons”为题发表在能源材料领域的国际知名期刊Advanced Energy Materials，并被选为封面文章(Back cover)。文章发表后，受到了Wiley、MaterialsViewsChina、X-MOL资讯、能源学人、钠离子电池等媒体、微博和公众号的关注和报道，产生了较大的学术影响。