該研究發(fā)現(xiàn)天然木材中高結(jié)晶度的纖維素作為封閉孔壁分解成長(zhǎng)程碳層，而無(wú)定形成分會(huì)阻礙碳層石墨化，導(dǎo)致長(zhǎng)程碳層脆裂。優(yōu)化后的樣品在 20 mA g-1電流條件下具有430 mAh g-1的高可逆容量（第二個(gè)循環(huán)的平臺(tái)容量為 293 mAh g-1），同時(shí)具有良好的倍率和穩(wěn)定循環(huán)性能（在500 mA g-1電流條件下循環(huán)400次后達(dá)到85.4%）。該工作對(duì)閉孔形成的深入研究將極大地推動(dòng)高容量硬碳負(fù)極的合理設(shè)計(jì)。
研究背景鈉離子電池(SIBs)由于其低廉的成本和豐富的鈉資源，是鋰離子電池(LIBs)在大規(guī)模電能存儲(chǔ)和低速電動(dòng)汽車(chē)中最有前途的替代品之一。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了大量正極材料，但高性能負(fù)極材料的缺乏極大地阻礙了SIB 能量密度的進(jìn)一步提高。因此，創(chuàng)新可負(fù)擔(dān)且可實(shí)現(xiàn)的性能優(yōu)異的陽(yáng)極材料具有重要的意義。在各種已報(bào)道的陽(yáng)極材料中，硬碳具有中等比容量(~300 mAh g?1)、低工作電位(~0.2 V)、低成本和長(zhǎng)循環(huán)壽命等平衡性能，是最有希望用于實(shí)際SIBs的正極材料。同時(shí)我們應(yīng)該也注意到硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，這嚴(yán)重阻礙了比容量和倍率性能的進(jìn)一步提高。眾所周知，硬碳是由隨機(jī)取向、彎曲和有缺陷的石墨烯納米片組成，其具有層間距離大的渦流結(jié)構(gòu)。應(yīng)該注意的是儲(chǔ)存在孔隙中的鈉的確切性質(zhì)是有爭(zhēng)議的，一些觀察到金屬鈉，而在其他系統(tǒng)中只存在離子鈉。低壓平臺(tái)容量是硬碳負(fù)極在SIBs中獲得更高能量密度的主要因素。因此，迫切需要深入了解鈉的儲(chǔ)存機(jī)理，并闡述如何設(shè)計(jì)硬碳的微觀結(jié)構(gòu)。
石墨電極?(a) 和H-1500電極 (b) 在100 mA g?1條件下首次充放電過(guò)程的原位XRD圖。(c) 硬碳電極在含 1%酚酞的乙醇溶液中浸泡 5 分鐘，放電至 0.01 V 時(shí)的光學(xué)照片（對(duì)比 Na+/Na）。(d) 原始和 0.01 V 放電 H-1500 電極的 SAXS 圖譜。
總結(jié)展望綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)自然界木材中的高結(jié)晶纖維素可以轉(zhuǎn)化為類似石墨的長(zhǎng)層，包圍并收縮活性位點(diǎn)，形成封閉的孔隙結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)組分(半纖維素和木質(zhì)素)的存在不僅有利于納米孔的形成，而且可以防止高溫碳化過(guò)程中碳層的過(guò)度石墨化。隨著碳化溫度的升高，類石墨碳層長(zhǎng)度增加，有利于封閉孔結(jié)構(gòu)的形成。基于此碳化模型，性能最佳的H-1500電極在20 mA g?1時(shí)具有較高的可逆放電容量 (430 mAh g?1)，在2000 mA g?1時(shí)具有良好的倍率性能 (175 mAh g?1)，在500 mA g?1時(shí)循環(huán)400次后具有穩(wěn)定的循環(huán)性能 (280 mAh g?1)。組裝后的H-1500//NFPP全電池保持250 mAh g?1的放電容量 (基于活性負(fù)極材料的質(zhì)量)，在1 A g?1下循環(huán)100次后容量保持83.6%，顯示出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。
文獻(xiàn)信息Tang, Z., Zhang, R., Wang, H.?et al.?Revealing the closed pore formation of waste wood-derived hard carbon for advanced sodium-ion battery.?Nat Commun?14, 6024 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-39637-5
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