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图1 硬碳负极支持安时级钠离子电池快充性能
图2 硬碳负极存储Li/Na机制研究
在国家自然科学基金项目（批准号：52122214、52072403）等资助下，中国科学院物理研究所胡勇胜研究员和陆雅翔副研究员团队与荷兰代尔夫特理工大学马尼克斯·维基梅克（Marnix Wagemaker）教授等合作者在安时级钠离子电池快充机制研究中取得进展。相关研究成果以“硬碳负极实现快充的根源（Origin of fast charging in hard carbon anodes）”为题，于2024年1月3日在线发表在《自然•能源》（Nature Energy）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-023-01414-5。
硬碳是一种非晶态碳材料，具有无序的石墨层片、边缘缺陷和特殊的纳米孔隙。在钠离子电池中，其充放电过程表现为双电压区域：斜坡区（1.1 V至0.1 V）和平台区（0.1 V至0 V）。由于其储钠特性与钠金属沉积电位相近，硬碳实现高功率快速充放电面临挑战。尽管其快充潜力显著，但基于安时级规模电池的实际应用研究尚不充足，且其储钠机制仍存在争议。
在前期研究基础上，研究团队以硬碳球（HCSs）为基础模型，通过不同碳化温度（1200°C和1600°C）制备了两种微观结构的硬碳负极材料，并与层状氧化物正极材料组装成Ah级26700型电池。O3-Na(Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3)O2//HCS-1200电池在6.5C高倍率下充放电3000周后仍保持83%初始容量和99.93%平均库仑效率，展现出出色的热稳定性（图1）。研究进一步对比了硬碳在储锂和储钠的电化学行为（图2），结果显示，硬碳在0 V以下有隐藏的平台容量，与钠/锂离子投影面积比例相符，表明斜坡区的存储活性位点相似。利用TPD-MS技术和DFT优化，成功预测了锂和钠的平台容量，并证实了Li/Na准金属态的存储特性。分子动力学模拟进一步揭示了在该结构下钠的快速扩散机制。这些发现为深化硬碳材料在快充机制方面的科学研究提供了有力支持。
该研究还揭示了楔形孔隙尺寸对硬碳材料中储钠和储锂性能的关键作用，指出理想的孔径大小约在1 nm左右，有利于减少负极表面暴露引发的能量损耗，并能有效促进快速充电过程。类似于欠电位沉积（UPD）机制，在孔隙内部形成的2-3层钠原子或3-4层锂原子的吸附结构，能够与碳基底发生相互作用，从而降低系统的能量势垒，实现接近零沉积电位的理想状态。这种微观结构特征确保了在电化学反应过程中硬碳与碱金属离子间形成稳定的接触界面，进而阐明了硬碳作为高性能、快充型钠离子电池负极材料的内在机理。
该研究工作不仅展示了基于无定形碳负极的安时级钠离子电池的快充特性，还明晰了钠在无定形碳中的存储位置、存储状态和扩散方式问题，为低成本、高性能钠离子电池碳负极材料的设计制备打下了坚实的科学基础。