推进可持续能源存储：利用煤基硬碳作为钠离子电池的高性能负极材料

作为锂离子电池的潜在替代品，钠离子电池负极资料的开发面临许多应战。煤基碳资料因其资源丰厚、本钱低价和结构可调性等特点，已成为当时研讨热点。煤的分级结构（芳香环、侧链和杂原子）经过热解缩合转化为短程有序硬碳资料，其层间孔隙、缺点和微晶结构可协同促进钠离子的吸附、微孔填充及层间插层存储。为满足容量与首周功率优化的需求，本文体系总结了七种主要改性战略——包括杂原子掺杂、化学活化、包覆改性、预氧化、碳化调控、模板法和交联改性——这些战略为调控碳层距离、孔隙分布及外表化学性质供给了技能途径。本研讨提出了一种完成煤炭资源高值化使用及钠离子电池硬碳负极资料开发的新方法。

导言

在全球能源转型向脱碳和可持续开展跨进的布景下，太阳能和风能等可再生能源的大规模使用，对高效且经济的储能技能提出了迫切需求[[1], [2], [3]]。锂离子电池（LIBs）凭借其高能量密度，在过去数十年间一直主导便携式电源和电动汽车市场。但是随着全球人口持续增长及电子设备普及率不断提高，锂资源有限的可得性（仅占地壳含量的0.0017%）与不均衡的地理分布（超越60%的资源集中于南美洲"锂三角"地区），加剧了供应链中断危险[[4], [5], [6]]。此外，锂价波动导致电池本钱明显上升。在此布景下，钠离子电池（SIBs）因其与锂离子电池相似的电化学机制、丰厚的钠资源（占地壳的2.3%）以及本钱优势[7]，已成为下一代大规模储能体系的有力竞争者。但是，钠离子较大的离子半径（1.02 Å，而锂离子为0.76 Å）导致传统石墨负极的脱嵌动力学缓慢（容量<50 mAh）。)，这严重约束了钠离子电池的实践功能[8]。在钠离子电池的技能开展中，负极资料的挑选对全体功能起着决定性作用。目前，钠离子电池负极资料主要分为四类：碳基资料（包括石墨、软碳、硬碳和纳米碳）、合金资料、钛基资料和有机资料。其中，具有无序微晶结构（层距离>0.37纳米）、丰厚纳米孔隙与缺点位点的硬碳资料，展现出优异的储钠才能（250–350毫安时−1的低氧化复原电位（<0.1 V vs Na/Na）和长循环稳定性（>1000次循环）使其成为最具商业化前景的负极资料[9]。但是，"嵌入-吸附-孔隙填充"多级储钠机制的协同调控仍存在应战，初始库仑功率低（<80%）和倍率功能缺乏等问题亟待处理。（注：根据术语表要求，原文中无需要强制替换的术语，故按常规学术翻译标准处理。保存所有技能参数、单位符号及文献引证格局，并遵从学术文本的正式表述风格。）−1), low redox potential (< 0.1 V vs Na+/Na), and long cycling stability (> 1000 cycles), are the most commercially prospective anode materials[9]. However, the synergistic regulation of the "intercalation-adsorption-pore filling" multistage sodium storage mechanism remains challenging, with issues such as low initial coulombic efficiency (<80 %) and insufficient rate performance yet to be addressed.
在此布景下，煤基硬碳作为钠离子电池前驱体在本钱、功能和可持续性方面展现出明显优势[10]。得益于其丰厚的煤炭资源储量，该资料可完成超越300 mAh/g的高比容量。经过结构调控技能（如优化层距离至0.34-0.37纳米、孔隙工程和杂原子掺杂）[11,12]，该资料完成了超越85%的高初始功率及长循环寿数。这克服了传统生物质基前驱体杂质多、供应链不稳定[13]的缺点，一起规避了树脂基前驱体的高本钱问题。表1对比了煤基硬碳、生物质基硬碳与聚合物硬碳的特性参数[3,14]。煤基硬碳经过使用煤焦油沥青等工业废弃物，完成了资源循环使用并降低对生物质资源的依赖[15]。该资料体系有效处理了钠离子电池产业化进程中经济性与高功能的平衡难题，为开发低本钱、高安全性的新式储能技能供给了要害资料支撑[16,17]。−1, a high initial efficiency of over 85 % and a long cycle life through structural modulation techniques (e.g., optimising layer spacing to between 0.34 and 0.37 nm, pore engineering and heteroatom doping)[11,12]. This overcomes the limitations of traditional biomass-based precursors, which have many impurities and an unstable supply chain[13], as well as the high cost of resin-based precursors. Table 1 compares the characteristics of coal-based hard carbon, bio-based hard carbon, and polymer hard carbon[3,14]. Meanwhile, coal-based hard carbon utilises industrial waste materials (such as coal tar pitch) to promote resource recycling and reduce dependence on biomass resources[15]. This material system effectively solves the problem of balancing economy and high performance in the industrialisation of sodium-ion batteries and provides key material support for developing low-cost, high-safety new energy storage technology[16,17].
本文体系分析了煤基硬碳作为钠离子电池负极资料的研讨进展，重点探讨其储钠机制及优化战略以应对当时使用应战[18]。煤基硬碳共同的结构与化学特性表明其在钠离子电池使用中具有明显潜力[19]，但是其电化学功能仍存在局限。对此，如图Fig.1、研讨人员已提出多种创新优化方法，包括杂原子掺杂[20]、活化处理[21]、外表包覆[22]、预氧化[23]、碳微结构调控[24]、模板法[25]以及交联改性[26]。这些方法有效提升了资料的储钠才能，为钠离子电池开展供给了新方向。当时亟需开展煤基硬碳在钠离子电池负极中使用的研讨[27]。与生物质、聚合物等硬碳资料比较，煤基硬碳（特别是低排位煤及煤化工副产品）具有明显优势[28]，包括天然资源丰厚、本钱低价以及结构可调性杰出等特性。这使其成为开发高功能低本钱负极资料的战略挑选[29]。一起，煤固有的芳香核结构在硬碳构成过程中有利于石墨化结构的构成，该结构具有直接且高效的结构调控才能[30]。
本文总述的方针在于体系整合现有研讨，阐明前驱体挑选与制备工艺怎么协同调控硬炭资料的要害结构特征（如微晶尺度、缺点、孔隙及外表化学性质），旨在提醒这些特征与储钠功能之间的构效联系，从而为处理功能波动大、初始功率低及长循环稳定性缺乏等瓶颈问题供给理论指导。此外，本文旨在强调准确结构调控的要害作用。该总述将树立基础研讨全链条（储钠机制、本构联系）、市场价值（量产可行性、本钱竞争力、环境效益）与产业化（批次稳定性、高首效/高容量平衡、适配电解质及工艺优化）之间的相关。该方针旨在推进煤基硬碳负极从实验室走向大规模使用，并开释其在下一代钠离子电池中的潜力。