「上海岱算科技有限公司」已向境内外230余家高等院校/科研院所提供了累计1400多项模拟计算服务，赋能科学研究提速增效！合作实验课题组在线发表学术论文期刊有ACS系列、AM系列、Angew、CEJ、EST、JACS、Matter、Nature子刊等，助力科研工作锦上添花！生物质衍生硬碳（HC）已成为一种颇具前景的低成本钠离子电池（SIBs）负极材料，然而传统热解通常导致石墨烯层间距狭窄和微观结构无序，这阻碍了Na⁺扩散动力学并限制了低电压平台容量。
2026年06月08日，中国林业科学研究院林产化学工业研究所孙康/王傲、南京林业大学范孟孟团队合作在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Joule Heating Triggered Interfacial Engineering of Biomass Hard Carbon for High-Performance Sodium-Ion Batteries”的研究论文，林科院林化所/南京林业大学周利民为论文第一作者，孙康、王傲、范孟孟为论文共同通讯作者。
第一作者：周利民
通讯作者：孙康、王傲、范孟孟
通讯单位：中国林业科学研究院林产化学工业研究所、南京林业大学
论文DOI：10.1002/adfm.76424
该研究开发了一种铁介导的焦耳热策略，在超快时间尺度上精确调控竹源HC的微观结构。快速碳原子重构与铁催化石墨化相结合，同时实现了扩大的层间距、良好的闭孔以及具有长程有序性的扩展石墨微晶，共同促进了更快Na⁺扩散与存储。值得注意的是，痕量残余铁进一步通过降低电解质分解能垒来调控界面化学，促进了薄且均匀、富含无机组分的固体电解质界面相（SEI）的形成。得益于这种微观结构和界面化学的双重调控，所得到的HC在0.05A g⁻¹电流密度下提供了395mAh g⁻¹的可逆容量（包括297mAh g⁻¹的高平台容量），并在5000次循环后保持84%的初始容量，优于已报道的生物质衍生HC负极。该研究通过将作为杂质的金属残留物转化为功能性界面调节剂，为构建高性能SIBs用生物质基HC负极提供了一条快速且可规模化的途径。
硬碳（HC）被广泛认为是钠离子电池（SIBs）的领先负极材料，因其兼具高比容量、低成本、结构鲁棒性以及在石墨微域和纳米孔内有效容纳Na⁺离子的能力。通常，HC可以通过天然生物质的热解来制备，其中竹子因其丰富的资源、本征多孔性和环境友好性而对商业化极具前景。然而，天然生物质基HC的实际应用仍受到传统热解过程中引入的微观结构缺陷的阻碍，这些缺陷包括压缩的石墨区域、富含缺陷的短程无序微晶以及杂乱堆叠的结构，这导致了缓慢的Na⁺扩散动力学、高不可逆容量和差的循环稳定性(公众号：生化环材人)。此外，其低初始库仑效率（ICE）和有限的平台容量严重限制了电池的能量密度。因此，一项核心挑战是通过同时扩大层间距、降低缺陷密度和增强长程石墨有序度来调控生物质衍生HC的微观结构。
目前，已经探索了多种调控HC的策略，包括杂原子掺杂、模板添加。杂原子掺杂可以扩大层间距，但增加的碳缺陷会损害ICE和循环稳定性。模板辅助方法提供了精确的孔工程，但存在后处理复杂和可规模化性差的问题。最近，焦耳热工艺因其超快的加热速率和短的停留时间而成为极具前景的碳原子重构策略。该技术已被用于制备石墨化纳米笼、碳纳米管以及石墨碳。尽管焦耳热也已应用于制备HC，但HC中固有的结构缺陷和短程有序石墨微晶仍然导致平台容量受限和界面不稳定性。金属催化提供了另一条有效途径来降低碳原子重排的能垒并促进sp²碳有序化(公众号：生化环材人)。例如，锰催化的HC缺陷修复实现了高达92.05%的ICE。在传统热解中，金属催化剂不可避免地会在HC基质中团聚成大尺寸纳米颗粒，这些金属纳米颗粒不仅会过度石墨化碳原子并压缩层间距，还会作为电化学活性杂质，持续催化电解质分解并在SIBs中毒化电极。
在此，该研究提出了一种铁介导的焦耳热路线来重构竹源HC。具有短时热解的焦耳热在动力学上抑制了铁的团聚，从而在HC基质中原位形成了均匀分散的痕量Fe物种。这种良好分散的Fe发挥双重作用：催化长程有序石墨域的生长，同时减轻层间压缩，并同时促进薄且均匀、富含无机组分的固体电解质界面相（SEI）。因此，所得到的HC具有扩大的层间距、减少的缺陷、扩展的石墨有序度和发育良好的闭孔纳米孔(公众号：生化环材人)。优化后的HC负极在0.05A g⁻¹电流密度下提供了高达395mAh g⁻¹的高可逆容量，低电压平台容量达到297mAh g⁻¹。如理论模拟所示，痕量Fe调控的SEI有效抑制了电解质分解，在5000次循环后实现了84%的容量保持率。
图1 | (a) 合成过程示意图。(b-e) FHC-J和(f-i) FHC-T的HR-TEM及元素分布图。(j) XRD图谱。(k) 基于XRD计算得到的La和Lc。(l) 样品的层间距。
图2 | (a) N₂吸附/脱附等温线。(b) 微孔孔径分布。(c) CO₂吸附/脱附等温线。(d) 超微孔孔径分布。(e) SAXS曲线。(f) 闭孔体积和真密度。(g) FHC-J和HC-T的近边X射线吸收精细结构谱（NEXAFS）及其放大图像。(h) 拉曼光谱。
图3 | (a) 不同样品在0.05A g⁻¹电流密度下的GCD曲线。(b) 斜坡/平台容量贡献比较。(c) 不同样品的倍率性能。(d) 在1A g⁻¹电流密度下的循环稳定性。(e) FHC-J与先前报道材料的性能比较(公众号：生化环材人)。(f) 以FHC-J为负极、NVP为正极的钠离子全电池示意图。(g) FHC-J//NVP钠离子电池在不同电流密度下的恒流充放电曲线。(h) FHC-J//NVP的倍率性能。
图4 | (a) Na⁺吸附能。(b) FHC-J和HC-T的扩散模型模拟与计算。(c) Na⁺扩散路径。(d) HC-T、HC-J、FHC-T和FHC-J在放电过程中的GITT曲线。(e) HC-T、HC-J、FHC-T和FHC-J在充电过程中的GITT曲线。(f) FHC-J电极在不同电压下于含酚酞的乙醇溶液中的比色实验。(g) FHC-J负极放电过程中的原位拉曼图谱。(h) FHC-J负极充电过程中的原位拉曼图谱。
图5 | (a-d) FHC-J和HC-T电极（在0.1A g⁻¹电流密度下，经过第10次和第100次循环后）的HR-TEM图像。(e) FHC-J和HC-T负极的三维形貌AFM图像。负极上SEI的Fe 2p (f) 和F 1s (g, h) 的深度剖析XPS谱图(公众号：生化环材人)。(i) FHC-J和(j) HC-T电极在1.5至0.01V放电阶段的原位奈奎斯特图。(k) FHC-J和HC-T电极界面处P-F键的分解能垒（Ed）。(l) 电解质中SEI形成的示意图。
图6 | (a) Co-HC-J的HR-TEM图像。(b) Ni-HC-J的HR-TEM图像。(c) 不同金属介导的HC电化学性能比较。(d) 树基FHC-J的HR-TEM图像。(e) 壳基FHC-J的HR-TEM图像。(f) 不同前驱体衍生HC的电化学性能比较。(g) 生物质热解碳化过程分析。
总之，该研究开发了一种铁介导的焦耳热策略来调控和重构用于SIBs负极的生物质衍生HC。超快电热过程催化形成了扩展、长程有序石墨域，同时避免了与传统热处理通常相关的层间压缩和过度缺陷生成。FHC-J电极在0.05A g⁻¹电流密度下提供了395mAh g⁻¹的可逆容量，相应的全电池实现了180mAh g⁻¹的实用容量。除了结构重构之外，残余铁还通过降低电解质解离能垒来调控界面化学，促进了无机组分NaF的形成并构建了稳定的SEI层。因此，基于FHC-J的SIB在5000次循环后仍保持其84%的容量。鉴于其在不同生物质前驱体中的适用性，这种可推广的方法将原子尺度的结构重构与界面化学相结合，解决了HC负极长期存在的局限性，并推动了高性能SIBs的发展。
