闡明硬碳的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于揭示其儲(chǔ)鈉機(jī)制和開發(fā)高性能鈉離子電池硬碳負(fù)極至關(guān)重要。目前，盡管已經(jīng)提出了各種硬碳模型的鈉存儲(chǔ)機(jī)制，但仍存在爭(zhēng)議。

在此，北京理工大學(xué)白瑩、吳川等人在非晶合金的啟發(fā)下，其提出并證實(shí)了非晶結(jié)構(gòu)與石墨微晶體交界處的色散區(qū)域，這與石墨微晶體的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。特殊分散區(qū)域在鈉離子擴(kuò)散過程中起到緩沖作用，并提供了良好的存儲(chǔ)能力。因此，在設(shè)計(jì)硬碳時(shí)，應(yīng)考慮合成條件對(duì)色散區(qū)局部結(jié)構(gòu)的影響。

本工作通過篩選有機(jī)分子，精確合成了硬碳石墨微晶結(jié)構(gòu)，揭示了石墨微晶參數(shù)之間的約束關(guān)系。重要的是，該工作對(duì)于解決當(dāng)前鈉離子儲(chǔ)存機(jī)制的爭(zhēng)議，明確硬碳中鈉離子在低壓區(qū)間(< 0.1 V)擴(kuò)散的異常具有重要意義。

圖1. 脫氯聚合制備HC的結(jié)構(gòu)表征

總之，該工作創(chuàng)造性地提出了非晶結(jié)構(gòu)與石墨微晶之間的彌散區(qū)結(jié)構(gòu)，其中鈉離子的積累是導(dǎo)致低電壓區(qū)間（< 0.1 V）鈉離子擴(kuò)散系數(shù)下降的原因。通過調(diào)節(jié)聚合反應(yīng)，精確合成一系列不同層間距、不同石墨微晶尺寸的HC材料，以驗(yàn)證分散區(qū)域并獲得優(yōu)化的可逆容量。具體來說，當(dāng)d、n和La分別為0.377 nm、4 nm和3.22 nm時(shí)，HC表現(xiàn)出優(yōu)異的可逆容量，平臺(tái)容量為223.7 mAh g^?1。

此外，理論計(jì)算證實(shí)了鈉簇更常見于分散區(qū)域，這為HC中的鈉存儲(chǔ)機(jī)制提供了新的視角。該工作還強(qiáng)調(diào)了精細(xì)有機(jī)合成與儲(chǔ)能材料合成之間的聯(lián)系，為其他有機(jī)合成反應(yīng)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的未來應(yīng)用鋪平了道路。

圖2. 模擬鈉離子在單層石墨烯和NGN上的存儲(chǔ)性能

Unlocking the Local Structure of Hard Carbon to Grasp Sodium-ion Diffusion Behavior for Advanced Sodium-ion Battery, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d3ee03347c