硬碳（HC）作為鈉離子電池（SIBs）最商業(yè)化的負(fù)極材料之一，必須解決倍率性能與比容量或初始庫(kù)倫效率（ICE）之間的平衡，而對(duì)低溫下的快充性能下降（LT）的了解仍知之甚少。

在此，上海大學(xué)趙玉峰教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種具有摻入鋅單原子（Zn-HC）的硬碳，以調(diào)節(jié)本體和表面結(jié)構(gòu)。優(yōu)化的Zn-HC具有擴(kuò)展的石墨區(qū)域（d002 = 0.408nm）和高度發(fā)達(dá)的納米孔（直徑約0.8 nm），并減少了缺陷含量，這有利于快速的Na+存儲(chǔ)。

結(jié)果證實(shí)，Zn-N₄-C結(jié)構(gòu)可以催化NaPF₆的快速分解，使其形成薄而無(wú)機(jī)物豐富的SEI和快速的界面Na⁺儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)，同時(shí)在石墨區(qū)中引發(fā)局部電場(chǎng)（LEF），提供一個(gè)臨時(shí)的庫(kù)侖力來(lái)加速Na⁺儲(chǔ)存動(dòng)力學(xué)，降低擴(kuò)散能壘（0.60eV vs 1.10eV）。

獲得的HC材料展示了創(chuàng)紀(jì)錄的高可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1），速率能力（140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1），ICE（84%），低溫容量（443 mAh g^-1 @ -40 °C），超過了最新的文獻(xiàn)。所構(gòu)建的全電池提供了323 Wh kg^-1的高能量密度和7.02 kW kg^-1的高功率密度（基于兩個(gè)電極的總活性質(zhì)量）。

圖1. Zn-HC的形態(tài)結(jié)構(gòu)表征和原子結(jié)構(gòu)分析

總之，該工作通過一個(gè)典型的兩步法精心構(gòu)建了DAFR衍生的硬碳微球與ZnN4配置的結(jié)合。合成的樣品表現(xiàn)出卓越的速率性能、可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1, 140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1）、低溫（LT）容量（443 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1）和ICE（84%），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了SIBs中能量密度（323 Wh kg^-1）和功率密度（7.02 kW kg^-1）之間的卓越平衡。

更重要的是，對(duì)HC電極在不同溫度下的電荷存儲(chǔ)機(jī)制有了基本的了解。作者發(fā)現(xiàn)HC上的局部結(jié)構(gòu)或SEI調(diào)節(jié)可以顯著抑制RSEI和RS，并有助于提高RT性能，而電解質(zhì)固有的Na⁺遷移或去溶劑化能力代表了LT電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的決定性步驟。這項(xiàng)研究提供了一種新的策略來(lái)調(diào)節(jié)復(fù)雜的界面電化學(xué)和基于HC材料的電極化學(xué)，以實(shí)現(xiàn)從RT到LT的高性能Na存儲(chǔ)。

圖2. 全電池的電化學(xué)性能

Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries，Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202211461