钠离子电池硬碳负极材料的研究进展：从材料设计到电化学性能优化

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.03.001

石油化工高等学校学报 ›› 2025, Vol. 38 ›› Issue (3): 1-9.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2025.03.001

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钠离子电池硬碳负极材料的研究进展：从材料设计到电化学性能优化

刘畅¹(), 王彦淇¹, 周佰洵¹, 卓文祺², 王振波³()

^1.电子科技大学（深圳）高等研究院，广东深圳 518110
^2.深圳大学大湾区国际创新学院，广东深圳 518061
^3.哈尔滨工业大学化工与化学学院，黑龙江哈尔滨 150006

收稿日期:2024-09-29 修回日期:2024-12-06 出版日期:2025-06-26 发布日期:2025-07-02
通讯作者: 王振波
作者简介:刘畅（1992⁃），男，博士，副研究员，从事锂、钠、钾离子电池负极材料等方面的研究；E⁃mail：1793917986@qq.com。
基金资助:
中国博士后科学基金项目(2024M754198);国家资助博士后研究人员计划项目(GZC20233448);黑龙江省博士后面上资助项目(LBH?Z23137);抚州市“揭榜挂帅”重大项目(2023JCA06)

Research Progress on Hard Carbon Anode Materials for Sodium⁃Ion Batteries: From Material Design to Electrochemical Performance Optimization

Chang LIU¹(), Yanqi WANG¹, Baixun ZHOU¹, Wenqi ZHUO², Zhenbo WANG³()

^1.Shenzhen Institute for Advanced Study，University of Electronic Science and Technology of China，Shenzhen Guangdong 518110，China
^2.Greater Bay Area International Innovation Institute，Shenzhen University，Shenzhen Guangdong 518061，China
^3.School of Chemical Engineering and Chemistry，Harbin Institute of Technology，Harbin Heilongjiang 150006，China

Received:2024-09-29 Revised:2024-12-06 Published:2025-06-26 Online:2025-07-02
Contact: Zhenbo WANG

摘要/Abstract

摘要：

随着能源存储需求的日益增长，钠离子电池（SIBs）因其低成本和丰富的钠资源而受到广泛关注，尤其是作为负极材料的硬碳，因其优异的循环稳定性和较高的能量密度而成为研究热点。综述了硬碳负极材料在SIBs中的研究进展，包括硬碳前驱体的筛选与设计、表面修饰、孔道结构调节、碳化诱导和杂原子掺杂策略，以及其他提升硬碳性能的策略；通过深入分析硬碳的孔结构、表面官能团和微观结构对储钠机制的影响，探讨了不同制备工艺对硬碳性能的优化潜力；讨论了硬碳与电解液的界面反应机制，通过界面工程优化硬碳循环性能和倍率性能的可能路径；展望了硬碳技术的未来发展，包括纳米结构设计、表面改性和绿色制备工艺，强调了实现高性能、低成本和环境友好型SIBs的迫切需求。

关键词: 钠离子电池, 硬碳负极, 电化学性能, 材料制备, 界面工程

Abstract:

As the demand for energy storage escalates, sodium?ion batteries （SIBs） are increasingly in the spotlight due to their low cost and the plentiful availability of sodium resources. Particularly, hard carbon anode materials have emerged as a focal point of research, attributed to their superior cyclic stability and elevated energy density. This review delves into the advancements in hard carbon anode materials for SIBs, encompassing the screening and design of HCs precursors, surface modifications, pore structure adjustments, carbonization induction, heteroatom doping strategies, and additional tactics to augment the performance of HCs. By thoroughly examining the influence of HCs's pore structure, surface functional groups, and microstructure on the sodium storage mechanism, the review explores the potential for optimizing HCs performance through various fabrication processes. Furthermore, the article addresses the interfacial reaction mechanisms between HCs and electrolytes, along with possible avenues for enhancing HCs's cycling and rate capabilities through interface engineering. Ultimately, the review anticipates the future trajectory of HCs technology, including the design of nanostructures, surface modifications, and green manufacturing processes, underscoring the pressing need for the development of high?performance, cost?effective, and environmentally benign SIBs.

Key words: Sodium?ion batteries, Hard carbon anode, Electrochemical performance, Material preparation, Interface engineering

中图分类号:

TQ152

刘畅, 王彦淇, 周佰洵, 卓文祺, 王振波. 钠离子电池硬碳负极材料的研究进展：从材料设计到电化学性能优化[J]. 石油化工高等学校学报, 2025, 38(3): 1-9.

Chang LIU, Yanqi WANG, Baixun ZHOU, Wenqi ZHUO, Zhenbo WANG. Research Progress on Hard Carbon Anode Materials for Sodium⁃Ion Batteries: From Material Design to Electrochemical Performance Optimization[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2025, 38(3): 1-9.

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https://journal.lnpu.edu.cn/syhg/CN/Y2025/V38/I3/1

图/表 5

图1 用不同前驱体制备的硬碳及其电化学性能[21-24,26]

Fig.1 Hard carbon prepared by different precursors and their electrochemical properties[21-24,26]

图2 表面修饰硬碳的电化学性能、循环稳定性能以及Al2O3层改善硬碳电极ICE的示意图[33]

Fig.2 Schematic diagram of electrochemical performance, cycling stability, and Al2O3 layer improvement of hard carbon electrode ICE by surface modification of hard carbon[33]

图3 碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图[38]

Fig.3 Scanning electron microscopy images of carbon coated MgO and hard carbon[38]

图4 混合硬碳前驱体的制备示意图及其XRD谱图、SIBs初始充放电曲线[41]

Fig.4 Schematic diagram of preparation of mixed hard carbon precursor and its XRD spectrum, initial charge discharge curve of SIBs[41]

图5 硬碳碳化诱导和杂原子掺杂机理[42，44]

Fig.5 Carbonization-induced mechanisms and heteroatom doping in hard carbon[42,44]

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