甬江实验室/太原理工AEM | 分子水平设计沥青衍生的硬碳用于高倍率钠离子电池!

沥青因其低成本及优异的结构一致性，成为钠离子电池硬碳负极有吸引力的前驱体。然而，通常用于将沥青转化为硬碳的传统氧化策略不可避免地会扭曲碳骨架，破坏电子连续性和Na⁺扩散，从而限制倍率性能。

在此，甬江实验室林宁、钱勇，太原理工大学郭春丽等人开发了一种集成的分子水平策略，通过将受控氧化交联与同步氮调制相结合，实现了快速的电子/离子传输，并带来了出色的电化学性能，这已在安时级别的圆柱形电池中得到验证。

结合原位表征和理论计算，我们发现协同的石墨氮和吡咯氮物种显著增强了结构稳定性和电荷传输——电子电导率达到41.9 S cm⁻¹（提高1.5倍），离子电导率高达0.87 mS cm⁻¹（提高1.4倍）——同时诱导形成薄且富含NaF的固态电解质界面，共同促进了超快Na⁺迁移和长期稳定性。

因此，该调制后的硬碳实现了361.8 mAh g⁻¹的高容量、优异的倍率性能（5.0 A g⁻¹下190.3 mAh g⁻¹）和卓越的循环稳定性。当组装成18650圆柱形电池时，其能量密度达到106.7 Wh kg⁻¹，在1C/10C下循环1000次后容量保持率为83.8%，凸显了其强大的实际应用潜力。

图1. 电池性能

总之，该工作展示了一种用于沥青基硬碳负极的集成分子水平策略，将受控氧化交联与目标氮调制相结合，在半电池和安时级别圆柱形电池中均实现了优异的倍率性能。通过在空气氧化过程中引入尿素，同时形成了高导电性的吡咯氮和结构稳定性的石墨氮物种，在保持碳骨架完整性的同时实现了快速的电子/离子传输。

这种定制的氧化途径还扩大了层间距并产生了丰富的闭孔，提供了可及的离子通道和活性位点。此外，氮调制诱导形成了薄且富含NaF的固态电解质界面，进一步增强了界面离子传输和长期稳定性。

因此，调制后的硬碳具有高容量、优异的倍率性能和卓越的循环稳定性，1.26 Ah的圆柱形电池在1C/10C下循环1000次后容量保持率为83.8%。这些发现建立了一个通用的分子水平设计原则，克服了沥青衍生硬碳中结构稳定与电荷传输之间的固有权衡，并为实用型高性能钠离子电池铺平了道路。

图2. 机制研究

Molecular‐Level Design of Asphalt‐Derived Hard Carbon with Enhanced Ion/Electron Transport for High‐Rate Sodium‐Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2025 DOI: 10.1002/aenm.202506585

郭春丽 太原理工大学，材料科学与工程学院，教授 主要从事纳米材料的制备，电化学和催化性能等方面的研究。曾获山西省优秀硕士学位论文指导奖。目前已发表SCI收录的文章30余篇，他引100多次。

林宁 甬江实验室 研究员 及新型二次电池负极材料研究组（现多维度功能碳材料研究组）负责人。作为第一/通讯作者在Angew、EES、AEM、AFM.等核心期刊发表了70余篇高水平SCI论文；开发了纳米硅碳、碳包覆氧化亚硅、预锂化氧化亚硅等系列负极材料制备工艺，设计并建设千吨级硅基负极材料生产线，已正式投产并销售。

钱勇 甬江实验室任多维度功能碳材料研究组副研究员 研究方向包括：非常规条件下功能碳材料的制备及其应用探索，高性能硅基材料的基础应用研究，硬碳、活性炭等碳质材料的产品开发。作为第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Energy Mater.，Energy Storage Mater.等期刊发表研究论文10余篇。