从生物质到卡特蓄电池：硬碳负极可持续钠离子储能的前沿进展

钠离子电池（SIBs）作为一种极具前景的大规模储能技能，在锂离子电池（LIBs）之后崭露头角，这得益于其明显的本钱效益与安全优势。开发兼具优异电化学功用与低本钱优势的电极资料，关于推动该技能的商业化进程至关重要。在众多阳极资料生物质衍僵硬碳因其低本钱、储量丰厚且制备工艺简略而备受重视。但是，高功用硬碳的结构设计与规模化可控组成仍面对系统性技能应战。本文总述了研讨者在硬碳微观结构范畴取得的重大进展，sodium存储机制与改性战略。%%此外，本文深入探讨了硬碳资料的结构、功用与加工处理之间的内涵相关。%%一起，研讨着重指出了硬碳资料规模化出产面对的应战及未来研讨方向。%%本总述旨在为高品质硬碳%%负极资料的研讨开发与产业化供给有价值的见解carbon anodes

图形摘要

跟着全球工业化进程的加快推进，工业出产对能源的需求呈现出明显上升趋势。但是传统化石燃料（如煤炭、石油和天然气）不只储量有限，其燃烧过程还会构成严重的环境污染。为应对能源危机与环境应战，可再生能源的开发与高效利用已成为最具可行性的解决方案[1,2]。虽然风能、水能和太阳能等可再生能源具有清洁环保的优势，但其固有的间歇性和波动性特征需要配套大规模储能系统来保障能源安稳供应。锂离子电池（LIBs）凭仗高能量密度和长循环寿数等优势，是一种优异的电化学储能器件[[3], [4], [5]]。但是有限的锂资源储藏与高昂本钱制约了其在大规模储能范畴的广泛使用。相比之下，钠离子电池（SIBs）因其更高的安全性、优异的低温安稳性及更低廉的本钱，被视为最具前景的大规模电化学储能器件（EESD）解决方案之一[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。
锂（Li）和钠（Na）作为第I族碱金属，具有相同的价电子构型[13]。因而，锂与钠表现出相似的化学性质。如表1所示，钠和锂均具有较低的电离能，有利于构成安稳的阳离子（Na++与Li++），然后保证电池系统中的高效电化学反响。相应地，钠具有适合电池使用的低规范电极电位（Na++/Na电对电位为−2.71 V），仅比锂高出0.33 V+/Li。这些特性使钠离子电池（SIBs）有望成为锂离子电池（LIBs）的潜在替代品[[14], [15], [16], [17]]。但是在离子尺度方面，钠离子明显大于锂离子（Li+≈ 0.76 Å，Na+≈1.02 Å)，其体积约为锂离子的1.8倍。这种尺度差异必定影响储能过程中的离子传输、界面特性和体相结构转变[18,19]。因而，传统锂离子电池电极资料无法直接使用于钠离子电池。例如，石墨作为锂离子电池负极资料表现出优异的储锂功用（理论容量为372 mAh g−1但是，因为钠离子无法构成安稳的二元石墨插层化合物（b-GICs），石墨的储钠才能极其有限（可逆容量仅为35 mAh g-1）[[20], [21], [22]]。−1这一电极资料的局限性阻碍了钠离子电池（SIBs）在电化学储能范畴的大规模使用[23]。
目前，开发兼具高电化学功用和低本钱的电极资料是推动钠离子电池（SIBs）进一步使用的关键。在负极资料研讨中，金属氧化物/硫化物[[24], [25], [26]]、碳基资料[[27], [28], [29]]、合金资料[30,31]以及有机化合物资料[32,33]已引起广泛重视。但是，每类负极资料均存在固有缺点。合金基和转化型资料在充放电循环中会产生明显体积膨胀，导致电极结构损坏并加快功用衰减。有机资料与钛基资料本征电导率较低，需依靠导电添加剂改进电子传输。相比之下，在碳基资猜中，硬碳被公认为最具规模化使用和商业化潜力的SIBs负极资料[[34], [35], [36], [37]]。这归因于其制备工艺简略、环境友好性、高储钠容量以及超卓的结构安稳性。硬碳的储钠机制部分类似于石墨，其伪石墨域内无序的石墨层可通过嵌入机制包容大量钠离子。这一特性使其兼具高储钠容量与优异的循环安稳性。此外，硬碳可由多种前驱体制备且合本钱钱低廉，进一步提升了其实用化潜力。近年来，关于硬碳负极资料制备及储钠机制的研讨继续添加，标明该资料已成为钠离子电池（SIBs）范畴的重要研讨方向[[38], [39], [40]]。现有研讨首要聚集于三个核心方向：硬碳的微观结构表征、储钠机制以及功用优化战略[41]。其间，硬碳的微观结构是其优异电化学功用的基础。探求微观结构与储钠功用之间的构效关系，可为硬碳的结构设计与功用调控供给理论依据和数据支撑。基于这些知道，研讨者可通过优化前驱体挑选、碳化条件和处理工艺，实现硬碳资料的功用定制，以满足不同使用场景下的储能需求[[42], [43], [44], [45], [46]]。
硬碳负极资料的前驱体首要来源于生物质资料与工业副产品。生物质基前驱体包含各类坚果壳（如椰子壳[47]、核桃壳[48]）、农业废弃物（如秸秆[49]、玉米芯[50]）及木材[51]等天然原料；工业前驱体则包括葡萄糖[52]、纤维素[53]、淀粉[54]等生物基组成资料，以及酚醛树脂[55]、沥青[56]等化学组成产品。虽然前驱体种类繁多，这些有机资料的首要元素组分均为碳，通过高温热解可转化为优质硬碳。在碳化初始阶段，生物质或聚合物资料产生分解反响，随同挥发性物质的开释，然后构成丰厚的缺点结构和多级孔隙。跟着温度升高，无序石墨微晶逐渐构成。研讨标明，硬碳的储钠功用首要源于三种结构特征：无序石墨层、缺点和纳米孔[[57], [58], [59]]。与组成资料相比，生物质前驱体具有明显的本钱优势和绿色可继续性。迄今为止，多种生物质资料已被用于制备硬碳负极。研讨证实，这些来源衍生的硬碳可有用构建高功用钠离子电池负极[[60], [61], [62], [63], [64]]。因而，从经济和功用双重视点考量，生物质前驱体在转化为商业化硬碳负极资料方面具有巨大潜力。
综上所述，为制备契合商业化要求的高功用硬碳负极资料，研讨者需深入理解资料微观结构、电化学功用与制备工艺之间的相关。如图1所示，本总述旨在全面整合硬碳范畴的关键知识与最新研讨进展，通过清晰阐释其结构-功用-制备工艺之间的本征关系，为研讨者供给系统化、结构化的认知结构。首先，详细阐述了硬碳资料在高温碳化过程中微观结构的构成与表征。基于此，总述了近年来硬碳负极在钠离子电池中的储钠机理研讨进展，旨在提醒硬碳微观结构与其储钠功用之间的构效关系，然后为结构优化供给理论基础。随后，探讨了生物质衍僵硬碳的优化战略及其对资料微观结构和储钠功用的影响。最终，总结并展望了硬碳负极资料在实际使用中面对的应战及其未来发展趋势。