沥青作为一种经济型原料，具有高碳产出的特性，适合用作钠离子电池的负极材料，从而实现更高的附加值利用。然而，沥青直接热解产生的碳材料通常具有高石墨化度、层间距较小等特征，导致钠离子脱嵌困难，最终使电化学性能受限。为扩大碳层间距，本研究采用磷掺杂策略，以NaH2PO2作为磷源，它与沥青中的芳香分子相互作用形成P-C键。P-C键的引入有效抑制了高温碳化过程中石墨微晶的发育，导致碳基体的石墨化程度降低、层间距扩大。此外，P-C键表现出双重功能：既能增强钠离子吸附，又能与碱金属钠发生反应。+反应生成NaxPCy该磷掺杂软碳材料直接参与钠存储过程，相较于传统直接热解法制备的软碳材料，展现出更强的储钠性能，其放电容量达到138.56 mAh g⁻¹−1在1 A g⁻¹电流密度下经过3500次循环测试后−1因此，本研究为沥青在钠离子电池中的应用提供了一种简单有效的改性方法。
随着对锂离子电池（LIBs）性能要求的不断提高，资源短缺与安全问题已成为亟待解决的关键问题[[1], [2], [3]]。值得注意的是，钠元素在地壳中具有广泛分布性[[4], [5], [6]]。与此同时，钠离子电池（SIBs）作为工作机制与LIBs相似的储能体系，正逐渐成为新一代金属离子电池的有力候选者[7,8]。其理论比容量值可达372 mAh g−1在以标准石墨作为负极材料的锂离子电池系统中[9]，石墨材料作为钠离子电池（SIBs）负极时却表现出容量受限的特点，其主要原因在于其插层化合物的热力学不稳定性[10]。因此，亟需开发适用于推动SIBs发展的新型负极材料。目前SIBs最常用的负极材料主要包括碳基材料[11]、钛基材料[12]、合金化材料[13]以及转化反应材料[14]。其中，非晶碳因其优异的结构完整性、成本效益和环境可持续性而受到广泛研究关注[15,16]。通常，非晶碳根据石墨化特性主要分为硬碳和软碳[17]。硬碳无法发生石墨化转变，其碳层结构相对无序，导电性能较差[18]。此外，硬碳作为钠离子电池负极的经济可行性受到前驱体成本过高和热解碳保留率不理想的双重制约[19]。相比之下，兼具经济性与高导电性的软碳在储能应用中展现出更优越的发展前景[20]。 在高温碳化过程中，沥青会经历石墨化反应，使其成为典型的软碳前驱体。此外，沥青含有丰富的烷基化多环芳烃（PAHs）低聚物，这些物质具有较高的碳产率[21]。将其转化为软碳材料不仅能减轻环境污染，还能实现高附加值利用。然而，直接热解沥青获得的软碳层间距较小，储钠性能较差。研究表明，涉及杂原子掺杂的策略可改变碳材料的微观结构[22]。值得注意的是，磷元素具有111皮米的共价原子半径，表现出显著的键合特性，该数值高于碳（75皮米）、硫（103皮米）、氮（71皮米）和氧（63皮米）[23]。因此，磷掺杂能显著扩大层间距离，从而改善钠离子从碳骨架中的脱嵌行为。Wu等[24]分别采用聚丙烯腈和H3PO4制备了具有大孔结构的磷掺杂碳纳米纤维3PO4通过静电纺丝结合热处理工艺制备。该材料展现出卓越的电化学性能，在2 A g−1电流密度下可逆容量达到103 mAh g−1，这归因于其大孔结构和增大的层间距双重优势。Lu等人[25]采用真空密封掺杂技术，以红磷为磷源制备了自支撑磷掺杂碳布（FPCC）。FPCC电极表现出优异的电化学动力学性能，在1 A g−1电流密度下保持123.1 mAh g−1更重要的是，该材料在0.2 A g-1电流密度下经过600次充放电循环后，仍能保持初始容量的88%−1展现出前所未有的循环耐久性。尽管这些研究在储钠性能方面取得了进展，但仍存在合成方法复杂、磷源易燃等挑战，阻碍了其在大规模工业化生产环境中的应用。因此，开发一种绿色化学路径来合成磷掺杂无序碳材料，仍是当前重要的研究方向。 采用简化热解法，我们以沥青衍生碳和次磷酸钠(NaH2PO2)为原料制备了磷掺杂软碳材料(命名为PSC-5)。 %% PO2)掺杂剂。与未经改性热分解合成的软碳(SC)不同，PSC-5具有更大的层间距和更丰富的缺陷。磷原子被有效整合到碳骨架中，形成共价P-C键，这主要导致碳材料的石墨化水平降低。此外，P-C共价键的形成不仅提高了钠离子吸附能力，还实现了与碱金属钠的化学反应。2反应生成Na+PCx直接参与钠存储过程。因此，该材料展现出优异的循环稳定性，在1 A g-1电流密度下经过3500次充放电循环后仍保持138.56 mAh g-1的容量y。此外，当与NVP正极配对时，全电池结构表现出卓越的循环耐久性，在1 A g-1电流密度下经过200次循环后仍保持81.29%的初始容量−1。本研究由此提供了一种以沥青前驱体制备钠离子电池磷掺杂碳负极的有效方法。−1. Additionally, when paired with NVP cathodes, the full cell configuration demonstrated excellent cycling durability, retaining 81.29% of its initial capacity through 200 cycles at 1 A g−1. Therefore, this research provided an effective method for producing phosphorus-doped carbon anodes for SIBs from pitch precursors.
