厦门大学Adv. Mater.：瞬态烧结策略让钠离子电池能量爆棚

近日，厦门大学张力教授、吴顺情教授等合作在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Precisely Tunable Instantaneous Carbon Rearrangement Enables Low-Working-Potential Hard Carbon Towards Sodium-Ion Batteries with Enhanced Energy Density”的论文。该研究通过一种瞬态烧结涉及的动力学控制合成策略，成功地制备了具有精确可调碳相和低放电/充电电压平台的硬碳（HC）材料，用于钠离子电池。通过优化热脉冲的温度和宽度，能够精确调控硬碳的局部石墨化程度和内部封闭纳米孔的生长，从而显著延长了电池在0.1V以下的低电压平台，使得硬碳作为负极材料的钠离子电池能量密度提高了20.7%。这项工作不仅为硬碳负极的合成、优化和商业化提供了突破性的变革，而且通过机器学习研究明确揭示了“碳相演变-电化学”之间的关系，为高能量密度钠离子电池的碳质电极材料的结构优化和性能提升提供了新的思路。    

图1 展示了通过精确调控碳相来合成具有低工作电位平台的硬碳（HC）的示意图。图中描述了原始HC中的碳相，包括结晶碳、非晶碳和纳米孔，以及经过改良的瞬态焦耳加热处理后的亚稳态HC的碳相变化。这种精确的碳相调控赋予了HC在0.1V以下显著延长的低电压平台。    

图 2 揭示了在不同热脉冲宽度和温度下商业HCs的碳相演变以及钠存储电化学的显著变化。图中展示了经过不同脉冲宽度处理的HC负极在首次放电/充电过程中的电压曲线，以及平台容量和总容量的变化。此外，还通过拉曼光谱、X射线衍射（XRD）分析了碳相的演变。    

图 3 通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像阐释了在短热脉冲处理下，HCs中石墨微区和封闭纳米孔的演变。图中对比了不同热脉冲宽度处理前后HCs的微观结构变化，以及通过小角X射线散射（SAXS）和氮气吸附-脱附（BET）分析得到的孔结构变化。    

图 4 通过原位XRD、拉曼光谱、电化学阻抗谱和透射电子显微镜（TEM）图像，对最佳HC（30秒热脉冲处理）在充放电过程中钠离子存储机制进行了表征。图中展示了放电/充电过程中HC负极的原位XRD和拉曼光谱变化，以及不同放电状态下的HRTEM图像。   

图 5 利用机器学习研究了钠离子在HC中的存储机制。图中展示了通过分子动力学模拟构建的HC模型，以及在不同放电阶段钠离子存储位点的模型。此外，还通过理论计算和实验结果探讨了石墨微区的层间距（Lc）对HCs钠存储电化学性能的影响。    

图 6 展示了通过精确调控碳相得到的HC（30秒热脉冲处理）负极在提高钠离子全电池能量密度方面的应用效果。图中比较了原始HC和HC（30秒）在半电池中的首次充放电曲线，以及它们在不同电流密度下的倍率性能和长循环稳定性。此外，还展示了HC（30秒）负极与Na3V2(PO4)3（NVP）正极材料搭配的全电池性能，以及该策略在商业和自制HC材料上的普适性验证。