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

进展与述评

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

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

Chang LIU,1, Yanqi WANG1, Baixun ZHOU1, Wenqi ZHUO2, Zhenbo WANG,3

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

通讯作者: 王振波(1973⁃),男,博士,教授,博士生导师,从事新型化学电源、电催化、纳米电极材料等方面的研究;E⁃mail:wangzhb@hit.edu.cn

本文编辑: 喻育红

收稿日期: 2024-09-29   修回日期: 2024-12-06  

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

Received: 2024-09-29   Revised: 2024-12-06  

作者简介 About authors

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

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.

Keywords: Sodium⁃ion batteries ; Hard carbon anode ; Electrochemical performance ; Material preparation ; Interface engineering

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本文引用格式

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

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. Journal of Petrochemical Universities[J], 2025, 38(3): 1-9 DOI:10.12422/j.issn.1006-396X.2025.03.001

锂离子电池(LIBs)被广泛应用于电动汽车、储能、电子器件等领域[1-2]。然而,随着储能需求的不断增加,锂盐资源的有限和不均匀分布导致LIBs的成本上升,寻找一种可以替代LIBs的新型电池成为目前需要解决的问题[3-4]。钠和锂均属于第一主族的碱金属元素,其物理化学性质相似,地壳中钠的丰度(2.740 0%)远高于锂(0.006 5%)[5],钠离子电池(SIBs)与LIBs有类似“摇椅”的工作原理[6]。因此,SIBs有望取代LIBs,成为一种新型的低成本储能电池。硬碳作为SIBs负极材料,凭借其较高的能量密度和良好的循环稳定性,成为该领域的研究热点。硬碳结构中的微观纳米孔结构可提供与电解质接触的位点,从而增强电池的充放电性能。通过对硬碳微孔结构的深入研究,可以实现对电池性能的高度优化[7-9]。近年来,研究者对硬碳制备过程中的碳化温度、原料类型、热处理气氛等参数进行精细控制,取得了显著进展,为优化硬碳的微结构和电化学性能提供了可能[10-13]。研究发现,通过调整碳化温度可有效控制硬碳中无定形碳结构与石墨烯纳米片层间距的比例关系,这种结构调控直接影响Na+在硬碳中的嵌入/脱嵌动力学过程[14-16]。因此,通过先进的模拟工具深入了解硬碳中Na+嵌入机制与动力学过程,也成为理论研究的重要组成部分[17-20]。然而,探索更高效的硬碳制备方法、提升SIBs的整体性能以及确保制备工艺的可靠性和可持续性,依然是当前研究需要重点解决的问题。

1 硬碳前驱体的筛选与设计

硬碳的性能在很大程度上取决于所选前驱体的类型及其设计。硬碳前驱体主要分为4类:生物质前驱体、聚合物前驱体、沥青基前驱体和煤基前驱体。这4类前驱体在硬碳的微观结构、电化学性能以及制备工艺方面存在显著差异,从而影响硬碳的比容量和循环稳定性,并决定其实际应用效果。生物质材料,如秸秆和坚果壳,主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,由于其天然的纤维结构和丰富的氧官能团,生物质前驱体能够在碳化过程中保留较复杂的孔隙结构(见图1(a)—(c))[21-24]。Y.H.WAN等[25]研究了纤维素和木质素衍生的硬碳对钠的储存行为。结果表明,纤维素衍生的硬碳能提供理想的初始库仑效率(ICE,87.1%)、高可逆比容量(343.3 mA·h/g)和出色的倍率性能。F.XIE等[26]制备了一系列纳米晶纤维素衍生的硬碳(见图1(d)),并通过各种预处理策略合理调整微观结构,优化了ICE。结果表明,通过水热碳化、酸水解和高温处理可以有效调节官能团、孔隙和缺陷,改进后的硬碳可逆比容量可达314.0 mA·h/g、ICE高达90.4%。

相比于生物质前驱体,聚合物衍生的硬碳在成分和结构调控方面具有显著优势。例如,一种具有纳米线微观结构的硬碳材料,其优异的电解液亲和力有助于缩短离子传输距离,从而提升其充放电倍率性能[11]。另外,球形硬碳材料的低比表面积可减少固体电解质界面(SEI)层的过度生成,进而得到良好的ICE。X.ZHANG等[27]通过简单的溶液法,对酚醛树脂进行高温处理制备了一系列结构参数可调的硬碳纳米球材料。结果表明,由于这些材料具有相对较低的比表面积(约11.6 m2/g)和较低的ID/IG(约1.58),在1 500 ℃的碳化条件下得到的酚醛树脂衍生硬碳具有高达约73.6%的ICE。综上可知,可再生前驱体在高性能SIBs领域具有极大的应用前景。

尽管聚合物前驱体具有较大的优势,但高成本限制了其大规模应用。沥青基前驱体来源广泛,其碳产率高于树脂前驱体和生物质前驱体。由于沥青在高温下易石墨化,直接碳化得到的硬碳性能通常不理想。Y.X.LU等[28]以沥青为前驱体,在碳化前引入了预氧化工艺。结果表明,前驱体的交联程度得到了有效提高,防止了沥青在高温碳化步骤中的熔化和有序复合;预氧化沥青基硬碳的可逆比容量为300.6 mA·h/g,当电流密度为30 mA/g时ICE高达88.6%,远远优于长期有序的原始沥青衍生碳。预氧化工艺具有普遍性,可用于提高生物质和树脂前驱体的性能。H.WANG等[29]的研究结果表明,用聚磷酸改性沥青,磷元素的引入使赝石墨区域的分子层结构变形,扩大了石墨层间距,增加了内部封闭微孔的数量,从而提高了基体的储钠能力;与未掺杂硬碳相比,磷掺杂硬碳在电流密度为50 mA/g下的可逆比容量由240.3 mA·h/g增加到359.9 mA·h/g,ICE由62.3%提升到72.7%;与高石墨化软碳相比,磷掺杂沥青衍生碳的电导率显著提高。煤和石油为主要能源,其中煤因其高碳产率成为硬碳的优选前驱体。Y.M.LI等[30]以无烟煤为前驱体制备煤基硬碳,其可逆比容量为222.0 mA·h/g,当电流密度为30 mA/g时ICE为81.0%。R.LI等[31]研究结果表明,采用氨预处理无烟煤制备的硝基煤基硬碳具有较优的速率性能和电化学稳定性,当电流密度为100 mA/g时可逆比容量为220.0 mA·h/g,ICE为83.3%。

选择合适的硬碳前驱体,尤其是碳源,对实现高性能硬碳负极至关重要。研究表明,原材料的结构和成分直接影响硬碳的微观结构和电化学性能。例如,采用含有较高无序碳结构的物质作为前驱体,通常能得到较丰富的孔隙结构和较大的比表面积,从而在Na+嵌入和脱嵌过程中表现出较好的动力学性质。此外,先进的表征技术,例如X射线衍射(XRD)和核磁共振(NMR),被广泛应用于评估原材料的结构特性和导电性,以指导硬碳电极的制备和改性。通过精准调控制备参数,可以进一步优化硬碳的结构和提升电池的性能。经过多层次的优化制备的硬碳电极材料在其循环稳定性和充放电能力方面均优于传统材料。

图1

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]


2 硬碳表面修饰

表面修饰策略是一种已被广泛研究的技术,通过表面修饰可减少硬碳负极的表面积,从而减轻外部过量SEI的形成,减少ICE的损失。目前,已有多种材料被报道用于修饰硬碳表面。例如,Y.M.LI等[32]在蔗糖衍生的硬碳表面构建碳层,其ICE得到显著提升(ICE为83.0%)。除了碳层修饰,通过原子层沉积技术在硬碳表面沉积Al2O3也是一种优化碳/电解质界面的方法。该方法将约2 nm厚的Al2O3薄膜作为人工SEI,能够有效阻止电解质的分解,并改善电化学性能,可逆比容量由260.9 mA·h/g提升至355.0 mA·h/g,ICE由67.0%提升至75.0%。然而,这些方法往往需要复杂的实验步骤和高昂的设备成本,限制了其在SIBs商业化应用的可行性。为了推动表面修饰策略的普及,C.X.YU等[33]通过简单的步骤构建了稳定的同型非晶Al2O3硬碳涂层。结果表明,修饰后的硬碳具有少量的活性位点,比表面积由17.84 m2/g降低到6.91 m2/g;沉积的Al2O3层减少了硬碳负极表面的缺陷和活性位点,修饰后ICE由64.7%提升到81.1%。具有改性硬碳负极的全电池表现出较好的电化学性能,表明这种直接的表面修饰策略可以显著增强SIBs的电化学性能。图2为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。C.X.YU等[34]还报道了在水溶液中通过简单的一锅法组合硬碳表面与聚合物层以提升ICE的方法。该方法中,在硬碳负极表面形成的聚合物网络作为一种钝化保护层可抑制电解质的分解,使酯基电解质中的ICE由65.2%提升到77.2%。该研究为获得高ICE和性能优异的硬碳负极提供了新的指导方案。此外,前驱体内部的杂质是导致比表面积增大的原因之一,因为在碳化过程中形成的表面缺陷及闭孔分布不均会降低硬碳负极的电化学性能。为了去除杂质,该研究采用必要的预处理,包括酸或碱溶液以及水处理,取得了有效的成果。然而,由于微孔和多孔结构的引入对ICE的提升没有明显的效果。结合上述不同方法的优势,A.ADAMSON等[35]开发了在泥炭生物质前驱体预热解后进行KOH和HCl处理,再进行热解后处理的工艺。该工艺可将泥炭衍生碳氢化合物的可逆比容量由141.0 mA·h/g增加到328.0 mA·h/g,但ICE仅为80.0%。由于ICE较低,硬碳的实际应用仍然存在挑战。

图2

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]


在硬碳材料的预处理和改性研究领域,表面改性作为提高SIBs性能的关键策略,受到了广泛关注。通过对硬碳表面进行特定的化学改性,可以显著提高其在SIBs中的电化学性能。研究表明,引入含氧官能团能显著提高硬碳表面的亲水性,进而促进电解液与硬碳的接触,改善Na+的浸润和扩散性能。同时,引入的含氮官能团可为Na+提供额外的吸附位点,有助于减少电池在首次循环中的不可逆容量损失。硬碳材料表面改性的作用机理涉及不同官能团与电解液之间的相互作用,以及这些官能团对硬碳材料的孔隙结构和电荷分布的影响。固定在硬碳表面的含硫官能团通过形成S—Na,增强对Na+的化学吸附,不仅能改善电池的充放电效率,还能提高其循环稳定性能。目前,研究者围绕不同的表面改性方法对硬碳电极性能的影响进行了研究,重点研究了氮掺杂、热解糖或聚合物前驱体生成含有功能性官能团的碳材料等策略。这些改性方法对硬碳结构和钠存储机制的综合影响已通过实验逐步量化,推动了硬碳技术向实际应用的转化。

3 硬碳孔道结构调节

纳米孔包括开孔和闭孔,是硬碳负极材料必不可少的组成部分。普遍认为,开孔结构与比表面积密切相关,过量SEI层的形成可能会影响ICE,而闭孔则有助于为Na+提供活性位点。因此,调节硬碳负极的孔结构对优化其储钠行为,尤其是提升ICE具有重要意义。Y.Q.LI等[36]研究了软木衍生的硬碳负极的复杂孔结构与其电化学性能之间的关系。结果表明,闭孔数量和比表面积与温度有显著的正相关性,在1 600 ℃下制备的样品具有高达81.0%的ICE和360.0 mA·h/g的比容量。S.SAMPATH等[37]通过同时引入羰基和封闭微孔精确调节微观结构,有效改善了竹源硬碳的钠存储性能,其最佳ICE为84.1%。这种简单的孔封闭方法及其揭示的孔结构与电化学性能的关系,为硬碳微观结构的调控提供了重要的指导。

研究发现,无机材料如MgO、SiO2、沸石等经常被用来制备具有丰富封闭空隙、可调内部孔径和分布的硬碳[38-40]图3为碳包覆MgO以及硬碳的扫描电镜图。A.KAMIYAMA等[41]以葡萄糖和葡萄糖酸镁为原料,通过冷冻干燥工艺混合粉末,设计了全新的硬碳,其制备示意图及XRD谱图、SIBs初始充放电曲线如图4所示。

图3

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

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]


该设计通过热处理结合后续酸浸处理,有效地促进了纳米尺寸MgO颗粒的形成,然后通过去除MgO颗粒使硬碳内产生纳米孔,实现了88.0%的ICE和478.0 mA·h/g的超高可逆比容量。X.ZHANG等[27]提出了一种与传统高温闭孔和成孔策略不同的方法,通过甲烷化学气相沉积(CVD)方法进行筛分,制备了孔入口收紧的碳材料,从而降低了比表面积,并抑制了SEI层的过度形成。该方法通过钠簇调节孔径,实现对可逆比容量的控制,与未处理的多孔碳负极的低ICE(15.0%)和39.0 mA·h/g的可逆比容量相比,所得筛分碳具有较高的ICE(77.0%)和可逆比容量(328.0 mA·h/g)。这种筛分碳策略在商业多孔碳改性领域显示出较好的应用潜力。

在SIBs硬碳材料的研究中,孔结构的调控与优化是提升电池性能的关键因素之一。硬碳材料独特的孔隙结构,特别是中孔和微孔的比例与分布,直接影响电解液的浸润程度和离子传输效率。研究表明,采用精确的微孔调控手段可以大幅提升硬碳的离子存储能力,从而优化整体的能量密度和循环稳定性。在微孔结构优化方面,通过调控原料选择、碳化温度和活化工艺等参数,可以系统地调整硬碳的孔径分布和孔体积。例如,通过使用高分子模板或硬质模板的控制碳化方法,能够有效产生规则且连通的孔道结构,增强硬碳的离子传输性能。同时,在碳化后的处理中利用氢氧化钾等化学活化剂的扩孔效应构建中孔结构,可进一步拓展硬碳电极的电化学活性表面积,为Na+提供更多的可逆嵌入/脱嵌通道。这些微观结构调控策略可显著提高储能效率和循环稳定性,已在硬碳基SIBs中得到了实验验证。然而,精确控制孔结构的生成和优化仍需要深入研究硬碳的形成机制及其与电化学性能的关联,以便设计更高效的制备工艺,推动SIBs硬碳技术的发展。

4 硬碳碳化诱导和杂原子掺杂策略

随着碳化温度的升高,硬碳的石墨化程度增加,更多的开孔转化为闭孔,比表面积减小。同时,在此过程中缺陷和氧元素含量降低,由活性位点吸附引起的不可逆容量降低,有利于ICE的提升。但是,碳化温度的升高也会使碳层间距减小,不利于Na+的嵌入和脱嵌,导致电极比容量下降。针对这一矛盾,研究者在前驱体中引入金属离子催化剂催化碳化。T.LI等[42]等的研究结果表明,通过与前驱体的螯合作用引入Ni+,可促进多孔结构和石墨纳米晶体的形成,在提高比容量的同时可保证较高的ICE(见图5(a)—(b))。J.H.ZHAO等[43]开发了离子辅助催化策略,并研究了离子类型和浓度对性能的影响。结果表明,该策略将纸张衍生的前驱体浸渍适当浓度的Mn2+溶液,使Mn2+与天然纤维素上的含氧官能团交联,实现了对硬碳石墨化程度的精准调控,消除了缺陷,保持了Na+的有效路径;在20 mA /g的电流密度下,可逆比容量由247.0 mA·h/g增加到336.8 mA·h/g,ICE由86.5%提升到92.1%。

在最新的研究中发现,在碳化过程中引入石墨烯等有序碳结构,可以诱导前驱体实现有序排列,并获得性能优异的硬碳。H.M.ZHANG等[44]的研究结果表明,在酚醛树脂前驱体中加入少量氧化石墨烯(见图5(c)),并在高温下直接碳化混合物制备了硬碳,其ICE为90.4%,电流密度为30 mA/g时可逆比容量高达343 mA·h/g;由于石墨烯与树脂前驱体接触密切,石墨烯附近的芳香环前驱体在热解过程中倾向于沿石墨烯层定向排列;碳原子经历了从sp3到sp2杂化的显著转变,使形成的硬碳结构缺陷相比未引入石墨烯硬碳的更少,比表面积更小,并形成了长程有序的碳层结构。X.X.HE等[45]将沥青浸泡的纸在高温下碳化,设计了一种软碳和硬碳的复合材料,并对该复合材料的结构进行了研究。结果表明,该复合材料的ICE高达94.1%,这说明在石墨的作用下,软碳前驱体(沥青)和硬碳前驱体(纸)在高温碳化过程中均能获得较高的有序性结构和较低的缺陷密度。X.W.LI等[46]采用石墨板固定碳化,以棉花为前驱体制备硬碳,并对其电化学性能进行了研究。结果表明,该材料的ICE为95.0%,可逆比容量为343.0 mA·h/g;该方法将前驱体与石墨模板紧密接触后煅烧,实现了石墨晶体在硬碳中的大面积互生;这类石墨晶体是一种新型的碳同素异形体,与石墨相比,它的晶胞尺寸和碳层间距均得到扩大,可以更好地实现Na+的嵌入和脱嵌。高度结晶的碳基体缺陷较少,从而可减少第一次循环中的不可逆比容量损失。在此基础上,研究者[46]进一步使用蛋壳膜作为前驱体,凭借其更有序的原始结构,可与石墨模板接触得更紧密;制备的硬碳具有99.5%的高ICE,可逆比容量为327 mA·h/g,刷新了SIBs硬碳ICE的最高纪录。

图5

图5   硬碳碳化诱导和杂原子掺杂机理[4244]

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


5 结 论

本综述综合分析了硬碳材料作为SIBs负极材料的最新研究进展。硬碳的微观结构,尤其是其孔隙特性,对电池的储钠行为和电化学性能具有至关重要的影响。研究表明,硬碳中的闭孔结构可有效提供Na+的活性位点,从而显著提升ICE和电池的整体充放电性能。此外,硬碳的比表面积和孔隙结构可通过调控热处理温度来优化,以减少SEI层的过量形成,进而降低首次充放电过程中不可逆比容量的损失。

在表面修饰方面,探讨了含氧和含氮官能团的引入对硬碳表面亲水性的增强作用,以及这些官能团如何通过提供额外的Na+吸附位点来减少电池首次循环的不可逆容量损失。这些改性策略不仅改善了硬碳的电化学性能,并且为硬碳材料的实际应用提供了新的思路。在孔道结构调节方面,通过精确控制孔径分布和孔体积,可以系统地调整硬碳的电化学活性表面积,为Na+的可逆嵌入/脱嵌提供更多的通道。这些微观结构的调控策略在提升储能效率和循环稳定性方面取得了显著效果。

展望未来,研究将聚焦于硬碳孔结构和功能化表面修饰,以适应快速充放电和低温环境的需求。工艺优化和材料设计的创新,如原子层沉积控制和人工智能算法的应用,有望推动高能量密度和长循环寿命硬碳电极材料的发展。虽然SIBs的产业化面临制备成本和能耗的挑战,但是硬碳材料因其独特的孔隙结构在传输路径上的优势,结合现代材料表征技术和新一代材料设计工具,有望加速其在SIBs领域的发展。总体而言,硬碳技术在SIBs领域展现出广阔的应用前景,尤其在提升电池性能和降低生产成本方面,将为绿色能源的转型做出显著贡献。

参考文献

ARMAND M, TARASCON J M. Building better batteries[J]. Nature, 2008, 451(7179): 652⁃657.

[本文引用: 1]

ZENG Z Q, MURUGESAN V, HAN K S, et al. Non⁃flammable electrolytes with high salt⁃to⁃solvent ratios for Li⁃ion and Li⁃metal batteries[J]. Nature Energy, 2018, 3(8): 674⁃681.

[本文引用: 1]

JIA X B, WANG J Q, LIU Y F, et al. Facilitating layered oxide cathodes based on orbital hybridization for sodium⁃ion batteries: Marvelous air stability, controllable high voltage, and anion redox chemistry[J]. Advanced Materials, 2024, 36(15): e2307938.

[本文引用: 1]

LIU Z B, SHEN J D, FENG S H, et al. Ultralow volume change of P2⁃type layered oxide cathode for Na⁃ion batteries with controlled phase transition by regulating distribution of Na+[J]. Angewandte Chemie⁃International Edition, 2021, 60(38): 20960⁃20969.

[本文引用: 1]

LIU Z B, WU J, ZENG J, et al. Co⁃free layered oxide cathode material with stable anionic redox reaction for sodium⁃ion batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2023, 13(29): 2301471.

[本文引用: 1]

YABUUCHI N, KUBOTA K, DAHBI M, et al. Research development on sodium⁃ion batteries[J]. Chemical Reviews, 2014, 114(23): 11636⁃11682.

[本文引用: 1]

ZHANG Y, SUN W P, LUO Z Z, et al. Functionalized few⁃layer black phosphorus with super⁃wettability towards enhanced reaction kinetics for rechargeable batteries[J]. Nano Energy, 2017, 40: 576⁃586.

[本文引用: 1]

ZHENG Y H, WANG Y S, LU Y X, et al. A high⁃performance sodium⁃ion battery enhanced by macadamia shell derived hard carbon anode[J]. Nano Energy, 2017, 39: 489⁃498.

SENGUTTUVAN P, ROUSSE G, SEZNEC V, et al. Na2Ti3O7: Lowest voltage ever reported oxide insertion electrode for sodium ion batteries[J]. Chemistry of Materials, 2011, 23(18): 4109⁃4111.

[本文引用: 1]

TANG X H, XIE F, LU Y X, et al. Intrinsic effects of precursor functional groups on the Na storage performance in carbon anodes[J]. Nano Research, 2023, 16(11): 12579⁃12586.

[本文引用: 1]

ZHANG B, GHIMBEU C M, LABERTY C, et al. Correlation between microstructure and Na storage behavior in hard carbon[J]. Advanced Energy Materials, 2016, 6(1): 1501588.

[本文引用: 1]

TANG Z, ZHANG R, WANG H Y, et al. Revealing the closed pore formation of waste wood⁃derived hard carbon for advanced sodium⁃ion battery[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 6024.

ARISTOTE N T, ZOU K Y, DI A D, et al. Methods of improving the initial coulombic efficiency and rate performance of both anode and cathode materials for sodium⁃ion batteries[J]. Chinese Chemical Letters, 2022, 33(2): 730⁃742.

[本文引用: 1]

王昱官, 王伟. 二硒化锡纳米片的制备及其储钠行为研究[J]. 低碳化学与化工, 2023, 48(6): 76⁃82.

[本文引用: 1]

WANG Y G, WANG W. Study on preparation of tin diselenide nanosheets and their sodium storage behaviors[J]. Low⁃Carbon Chemistry and Chemical Engineering, 2023, 48(6): 76⁃82.

[本文引用: 1]

ZHANG M H, LI Y, WU F, et al. Boost sodium⁃ion batteries to commercialization: Strategies to enhance initial coulombic efficiency of hard carbon anode[J]. Nano Energy, 2021, 82: 105738.

AU H, ALPTEKIN H, JENSEN A C S, et al. A revised mechanistic model for sodium insertion in hard carbons[J]. Energy & Environmental Science, 2020, 13(10): 3469⁃3479.

[本文引用: 1]

朱紫宸, 李雷, 王红涛, 等. 钠离子电池有机聚合物电解质的研究进展[J]. 当代化工, 2024, 53(6): 1457⁃1462.

[本文引用: 1]

ZHU Z C, LI L, WANG H T, et al. Research progress in organic polymer electrolytes for sodium ion batteries[J]. Contemporary Chemical Industry, 2024, 53(6): 1457⁃1462.

[本文引用: 1]

LI Q, LIU X S, TAO Y, et al. Sieving carbons promise practical anodes with extensible low⁃potential plateaus for sodium batteries[J]. National Science Review, 2022, 9(8): nwac084.

XU X J, LI F K, ZHANG D C, et al. Facile construction of CoSn/Co3Sn2@C nanocages as anode for superior lithium⁃/sodium⁃ion storage[J]. Carbon Neutralization, 2023, 2(1): 54⁃62.

靳爱民. 韩国釜山国立大学开发高效钠离子电池负极材料[J]. 石油炼制与化工, 2023, 54(4): 14.

[本文引用: 1]

JIN A M. Busan national university in south Korea develops efficient negative electrode material for sodium ion batteries[J]. Petroleum Processing and Petrochemicals, 2023, 54(4): 14.

[本文引用: 1]

ZHANG H M, ZHANG W F, MING H, et al. Design advanced carbon materials from lignin⁃based interpenetrating polymer networks for high performance sodium⁃ion batteries[J]. Chemical Engineering Journal, 2018, 341: 280⁃288.

[本文引用: 3]

ARIE A A, TEKIN B, DEMIR E, et al. Hard carbons derived from waste tea bag powder as anodes for sodium ion battery[J]. Materials Technology, 2019, 34(9): 515⁃524.

MURUGANANTHAM R, WANG F M, LIU W R. A green route N, S⁃doped hard carbon derived from fruit⁃peel biomass waste as an anode material for rechargeable sodium⁃ion storage applications[J]. Electrochimica Acta, 2022, 424: 140573.

LEE H V, HAMID S B A, ZAIN S K. Conversion of lignocellulosic biomass to nanocellulose: Structure and chemical process[J]. The Scientific World Journal, 2014, 2014: 631013.

[本文引用: 3]

WAN Y H, LIU Y, CHAO D L, et al. Recent advances in hard carbon anodes with high initial coulombic efficiency for sodium⁃ion batteries[J]. Nano Materials Science, 2023, 5(2): 189⁃201.

[本文引用: 1]

XIE F, XU Z, GUO Z Y, et al. Achieving high initial coulombic efficiency for competent Na storage by microstructure tailoring from chiral nematic nanocrystalline cellulose[J]. Carbon Energy, 2022, 4(5): 914⁃923.

[本文引用: 3]

ZHANG X, DONG X L, QIU X, et al. Extended low⁃voltage plateau capacity of hard carbon spheres anode for sodium ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2020, 476: 228550.

[本文引用: 2]

LU Y X, ZHAO C L, QI X G, et al. Pre⁃oxidation⁃tuned microstructures of carbon anodes derived from pitch for enhancing Na storage performance[J]. Advanced Energy Materials, 2018, 8(27): 1800108.

[本文引用: 1]

WANG H, LIU S T, LEI C, et al. P⁃doped hard carbon material for anode of sodium ion battery was prepared by using polyphosphoric acid modified petroleum asphalt as precursor[J]. Electrochimica Acta, 2024, 477: 143812.

[本文引用: 1]

LI Y M, HU Y S, QI X G, et al. Advanced sodium⁃ion batteries using superior low cost pyrolyzed anthracite anode: Towards practical applications[J]. Energy Storage Materials, 2016, 5: 191⁃197.

[本文引用: 1]

LI R, YANG B R, HU A J, et al. Heteroatom screening and microcrystal regulation of coal⁃derived hard carbon promises high⁃performance sodium⁃ion batteries[J]. Carbon, 2023, 215: 118489.

[本文引用: 1]

LI Y M, XU S Y, WU X Y, et al. Amorphous monodispersed hard carbon micro⁃spherules derived from biomass as a high performance negative electrode material for sodium⁃ion batteries[J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3(1): 71⁃77.

[本文引用: 1]

YU C X, LI Y, REN H X, et al. Engineering homotype heterojunctions in hard carbon to induce stable solid electrolyte interfaces for sodium⁃ion batteries[J]. Carbon Energy, 2023, 5(1): e220.

[本文引用: 3]

YU C X, LI Y, WANG Z H, et al. Surface engineering based on in situ electro⁃polymerization to boost the initial coulombic efficiency of hard carbon anode for sodium⁃ion battery[J]. Rare Metals, 2022, 41(5): 1616⁃1625.

[本文引用: 1]

ADAMSON A, VÄLI R, PAALO M, et al. Peat⁃derived hard carbon electrodes with superior capacity for sodium⁃ion batteries[J]. RSC Advances, 2020, 10(34): 20145⁃20154.

[本文引用: 1]

LI Y Q, LU Y X, MENG Q S, et al. Regulating pore structure of hierarchical porous waste cork⁃derived hard carbon anode for enhanced Na storage performance[J]. Advanced Energy Materials, 2019, 9(48): 1902852.

[本文引用: 1]

SAMPATH S, ROHINI V, CHINNASAMY K, et al. Solvothermal synthesis of magnetically separable Co–ZnO nanowires for visible light driven photocatalytic applications[J]. Physica B: Condensed Matter, 2023, 652: 414654.

[本文引用: 1]

MORISHITA T, TSUMURA T, TOYODA M, et al. A review of the control of pore structure in MgO⁃templated nanoporous carbons[J]. Carbon, 2010, 48(10): 2690⁃2707.

[本文引用: 3]

KYOTANI T, MA Z X, TOMITA A. Template synthesis of novel porous carbons using various types of zeolites[J]. Carbon, 2003, 41(7): 1451⁃1459.

张博, 郄佳鑫, 曹永安, 等. 基于可视化分析辅助探究钠离子电池硬碳负极研究进展[J]. 石油化工高等学校学报, 2022, 35(6): 1⁃9.

[本文引用: 1]

ZHANG B, XI J X, CAO Y A, et al. Research progress of hard carbon anode of sodium⁃ion batteries based on visualization analysis[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2022, 35(6): 1⁃9.

[本文引用: 1]

KAMIYAMA A, KUBOTA K, IGARASHI D, et al. MgO⁃template synthesis of extremely high capacity hard carbon for Na⁃ion battery[J]. Angewandte Chemie (International ed. in English), 2021, 60(10): 5114⁃5120.

[本文引用: 3]

LI T, LIU Z Q, GU Y J, et al. Hierarchically porous hard carbon with graphite nanocrystals for high⁃rate sodium ion batteries with improved initial coulombic efficiency[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 817: 152703.

[本文引用: 3]

ZHAO J H, HE X X, LAI W H, et al. Catalytic defect⁃repairing using manganese ions for hard carbon anode with high⁃capacity and high⁃initial⁃coulombic⁃efficiency in sodium⁃ion batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2023, 13(18): 2300444.

[本文引用: 1]

ZHANG H M, ZHANG W F, HUANG F Q. Graphene inducing graphitization: Towards a hard carbon anode with ultrahigh initial coulombic efficiency for sodium storage[J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 434: 134503.

[本文引用: 3]

HE X X, ZHAO J H, LAI W H, et al. Soft⁃carbon⁃coated, free⁃standing, low⁃defect, hard⁃carbon anode to achieve a 94% initial coulombic efficiency for sodium⁃ion batteries[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2021, 13(37): 44358⁃44368.

[本文引用: 1]

LI X W, SUN J Y, ZHAO W X, et al. Intergrowth of graphite⁃like crystals in hard carbon for highly reversible Na⁃ion storage[J]. Advanced Functional Materials, 2022, 32(2): 2106980.

[本文引用: 2]

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