近日，我院储能科学与工程专业本科生戚天爽，在煤燃烧与低碳利用全国重点实验室、储能科学与工程系张雄副教授的指导下，在储能领域的Top期刊《Journal of Power Sources》上发表论文，论文题为“Research progress of carbon materials in the anodes of sodium-ion batteries”。论文的第一作者为储能科学与工程专业本科生戚天爽，第二作者为储能科学与工程专业本科生熊凯，通讯作者为张雄副教授，华中科技大学为唯一作者单位。据悉，该论文的学生作者全部为我院储能专业的第一批本科生，他们在储能系教师的指导下展现出了勤奋好学、严谨求实的科研态度，同时又获得了出色的论文成果，为储能专业学生在今后的学习与工作中树立了榜样，展现了储能专业高质量的学生培养成果。下面简要介绍论文的主要内容：

图1发表论文信息

钠离子电池被认为是未来大规模、低成本储能系统的理想替代体系。由可再生能源(水、太阳能、潮汐、风能和地热)产生的电力是不连续的。因此，如何对这种不连续电能进行有效管理就成为一个关键问题。智能电网技术的发展为这一问题提供了解决方案。如图2所示，在低电力需求时期，多余的电力可以有效地存储在先进的钠离子电池中。在用电高峰时段，这些储存的能量可以被释放出来，满足慢速电动车、家庭、工厂和偏远地区的用电需求，保证了电力供应的稳定性和可靠性。

图2钠离子电池的间歇性储能和潜在应用的示意图

随着钠离子电池的快速发展，寻找性能优良的电极材料是人们密切关注的课题。在过去的二十多年里，人们研究了许多钠离子电池阴极材料。如层状过渡金属氧化物，多原子阴离子材料，普鲁士蓝和类似物，有机材料。与阴极相比，钠离子电池的阳极关注较少。然而，开发合适的阳极是设计钠离子电池的关键一步。最初，人们采用金属钠作为阳极，但金属钠会与有机电解质溶剂反应，并且金属钠在工作过程中会沉积并且形成枝晶。此外，钠的熔点较低，这对于在环境温度下使用的设备具有重大的安全隐患。因此，必须研究能够在主电极之间来回循环的替代阳极材料，以保证钠离子电池的安全使用。目前在钠离子电池阳极方面也取得了很多成果，如碳基材料，金属氧化物基材料和合金基负极材料。在最早的阶段，碳基材料得到了广泛的研究。如图3所示，碳基材料包括石墨，硬碳，软碳，和石墨烯在内的各种碳纳米结构。为了更好地了解Na⁺的储存/释放行为，提高钠离子电池的电化学性能，论文对各种碳材料作为钠离子电池的负极的储钠原理，优化手段，前景和挑战进行了综述，着重介绍如何选择和优化合适的碳材料以实现理想的电化学性能，不仅为当前碳负极材料的研究提供了宝贵的参考，也为未来的研究方向指明了道路。

图3Na⁺在碳阳极材料中的储存机理示意图及其他碳纳米结构示意图。

一般来说，钠离子的储存方式有三种。如图4a所示：i)在层间插入/脱嵌(插入/脱嵌机制)，ii)在杂原子、边缘和缺陷上的吸附/脱附(吸附/脱附机制)，iii)在孔隙中填充(孔隙-填充机制)。石墨阳极可以依靠插入/脱嵌机制来储存Na⁺。硬碳材料具有丰富的孔隙和较大的层间距，适合Na⁺存储。如图4b-f所示，目前有很多理论尝试解释硬碳的储钠机理，但仍没有定论。软碳材料是一种结构上介于石墨和硬碳之间的碳材料，通常由无定形碳或涡轮层状碳组成。软碳储钠以吸附/脱附为主，也有层间插入/脱嵌机制。石墨烯在内的碳纳米结构由于具有较大的表面积，能够为Na⁺提供大量的吸附位点，其储钠机理以吸附/脱附机制为主。对于少层石墨烯，也可以以插入/脱嵌机制储存Na⁺。

图4(a)钠的储存机理示意图，(b-e)当前硬碳储钠模型的综述。

此外，论文着重总结了提高碳材料的工作性能的方法。对于石墨而言，由于热力学因素，未经处理的石墨储钠容量过低，其理论储钠容量为35 mA h /g（石墨的储锂容量为372 mA h /g），不适合作为钠离子电池的负极材料。因此，要提高石墨的工作性能，就必须对石墨进行改性。改性方法包括扩大石墨层间距，增加缺陷，与其他材料复合和优化电解液。硬碳能够对Na⁺提供较大的容量（主要大于300 mA h/g）。但是硬碳的导电率相对较低，并且在循环过程中也会经历体积膨胀等问题。硬碳的优化策略有控制硬碳的缺陷浓度和孔隙率，增加硬碳内石墨微晶的间距，丰富硬碳的孔隙结构和优化电解液。软碳工作性能不如硬碳，软碳的储钠容量较低，约为220 mA h/g。而且Na⁺插层会引起局部和宏观结构的不可逆膨胀。软碳的优化策略有与材料复合，增加软碳的缺陷数目以及增加软碳的孔隙率。石墨烯由于具有较大的表面积，能够为Na⁺提供大量的吸附位点。并且石墨烯超薄且透明，具有出色的电导性和热导性，还具有极高的强度和刚性，以及巨大的表面积，但生产高质量的石墨烯成本较高，且生产技术还不成熟。此外，根据理论计算，离子在单层石墨烯上的吸附在能量上是不利的(特别是Na⁺)，单层石墨烯的Na⁺存储容量小于20µA h cm^-2。可以通过氧化还原，杂原子掺杂，材料复合和形貌设计来提高其电化学性能。论文最后介绍了各种碳纳米结构的研究进展，包括零维碳纳米粒子，一维碳纳米纤维，空心碳纳米球壳，碳纳米管和空心碳纳米多面体，并对钠离子电池中碳负极材料的未来发展方向进行了展望，指出需要探索绿色、低成本的原材料和合成方法，以及利用先进表征技术指导材料改性。

通讯作者简介：张雄，华中科技大学副教授，获湖北省杰青，华中科技大学“学术新人”（全校10人），入选2023年、2024年美国斯坦福大学和爱思唯尔数据库发布 《年度全球前2％顶尖科学家榜单》（World’s Top 2% Scientists）。一直致力能源清洁高效利用的基础理论研究和技术开发应用，主要为多孔材料制备、改性及利用，包括：1）催化应用--太阳能利用耦合二氧化碳捕集转化、可再生能源耦合绿氢制备，2）吸附应用--气液固三态污染物捕集与脱除、化学品分离与纯化，3）储能应用--电池、超级电容器、储氢、储热等。主持国家自然科学基金、中国博士后基金等10项科研项目。发表论文80余篇，被引2300余次，授权发明专利26项（美国专利1项），参编教材1部。现任《Waste Disposal &Sustainable Energy》客座编辑，《过程工程学报》第一届青年编委，《燃料化学学报》学术编辑，中国植物营养与肥料学会-生物炭专业委员会委员，国家生态环境科技帮扶专家，国际燃烧学会、美国化学学会（ACS）等会员。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235721