本网讯 近日，中南大学化学化工学院唐有根-王海燕团队在钠离子电池高容量硬碳负极领域的最新研究成果“揭示钠电用废弃生物质衍生硬碳材料的闭孔形成机制（Revealing the closed pore formation of waste wood-derived hard carbon for advanced sodium-ion battery）”刊发在《自然通讯》（Nature Communications），该论文深入揭示了生物质硬碳中闭孔结构的形成机制，提出了高容量硬碳负极的设计策略。中南大学化学化工学院为论文第一通讯单位，中南大学博士研究生唐正、张睿为本文共同第一作者，中南大学王海燕教授和孙旦副教授、香港科技大学邵敏华教授、美国阿贡国家实验室Khalil Amine教授为本文共同通讯作者，唐有根教授为本研究做出了重要贡献。

硬碳是一种典型的无定形碳材料，通常由随机排列的石墨微晶、扭曲的石墨烯纳米片以及二者相互堆叠产生的孔隙组成。复杂的微观结构为硬碳材料提供了丰富的储钠位点，使其拥有较高的可逆容量（300-400 mAh g^-1）和较低的平均工作电位（~0.1 V vs. Na⁺/Na），因此硬碳也成为目前最具商业化前景的钠离子电池负极材料。不少研究者以廉价的生物质（如坚果壳、谷壳、甘蔗渣和香蕉皮等）为前驱体，制备了不同的硬碳负极材料，试图揭示硬碳结构和储钠性能之间的构效关系。大量的实验结果已经证明，闭孔结构对于硬碳材料储钠过程和储钠容量的重要性，但鲜有人系统探究生物质基硬碳中闭孔的形成机制，这无疑阻碍了低成本、高容量硬碳负极材料的发展。

图为本研究提出的生物质硬碳中闭孔结构形成机制示意图

鉴于此，该研究团队以天然木材作为前驱体，探究了不同的组分（结晶纤维素和无定形半纤维素/木质素）和热解温度对所衍生硬碳中闭孔结构的影响，揭示了木基生物质的闭孔结构形成机制：结晶纤维素热解形成类石墨层，充当闭孔的“孔壁”；无定形的半纤维素和木质素在热解过程中作为抑制剂，阻碍碳层的过度石墨化；适当提高热解温度会增加类石墨碳层的长度，有利于闭孔结构的形成。所制备的硬碳负极在20mA g^-1的电流密度下可以提供430mAh g^-1的储钠容量（平台区容量293 mAh g^-1，基于第二圈循环），同时也表现出优异的倍率性能和循环稳定性能（500 mA g^-1下循环400圈的容量保持率85.4%）。该工作为解析硬碳闭孔结构的形成机制和设计高容量硬碳负极提供了创新性思路，将有望显著推动钠离子电池产业的高质量发展。

此项研究工作获得了“长江学者奖励计划”、湖南省科技创新领军等人才项目和国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金、湖南省科技计划等基金的大力支持。

（一审：戴寓欧 二审：韩艳 三审：李殷）