摘要：硬质碳材料因其低成本、高容量特性，被视为钠离子电池（SIBs）最具前景的负极材料之一。生物质衍生的前驱体具有孔隙丰富、原料易得等固有优势；然而其内在杂质常通过阻碍离子扩散并引发不可逆副反应，导致电化学性能下降。本文，西南大学徐茂文 教授、戚钰若（含弘研究员）等
1成果简介
硬质碳材料因其低成本、高容量特性，被视为钠离子电池（SIBs）最具前景的负极材料之一。生物质衍生的前驱体具有孔隙丰富、原料易得等固有优势；然而其内在杂质常通过阻碍离子扩散并引发不可逆副反应，导致电化学性能下降。本文，西南大学徐茂文 教授、戚钰若（含弘研究员）等在《New J. Chem》期刊发表名为“Sodium storage behavior of hard carbon derived from waste sorghum distiller's grains”的论文，研究采用简易的盐酸预处理策略，成功去除高粱蒸馏谷物（SDG）硬质碳中的杂质并调控其微观结构。
SDG作为农业副产品，经盐酸处理后，其硬质碳样品展现出卓越的电化学性能：在30mA g⁻¹电流密度下实现高达320.3mA h g⁻¹的可逆容量，较未处理样品提升143.2 mA h g⁻¹。值得注意的是，在1Ag⁻¹条件下经300次循环后仍保持94.9%的容量，彰显出卓越的循环稳定性。这种低成本生物质衍生硬质碳负极在锰基离子电池中展现出广阔的商业应用前景。
2图文导读
图1、Physical characterization studies of HC, HCH and HCL. (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c)–(e) fitted Raman spectra, and (f) summarization of La, Lc and ID/IG.
图2、Chemical compositions of HC, HCH and HCL. (a) Survey XPS spectra, (b) fitted C 1s spectra, (c) fitted O 1s spectra, (d) percentage of C-related species from the C 1s spectra, (e) percentage of O-related species from O 1s spectra.
图3、Pore structures of HC, HCH and HCL. (a) N2 adsorption–desorption isotherms and corresponding pore size distribution inset, (b) summary of BET surface areas and pore volumes, (c)–(f) SAXS patterns and corresponding fitting results of HC, HCH and HCL.
图4、Morphology and microcrystalline structure characterization of HC, HCH and HCL. (a)–(c) FESEM images, (d)–(f) HRTEM images and corresponding SAED patterns.
图5、Electrochemical properties of HC, HCH and HCL. (a) First discharge–charge curves at 30 mA g−1, (b) plateau and slope capacity contributions (the error repetition experiment was 3 times), (c) rate performance, (d) and (e) cycling performance at 0.3 A g−1 and 1 A g−1, (f) CV curves of HCL at 0.1 mV s−1, (g) EIS after 100 cycles, (h) and (i) Na apparent diffusion coefficients obtained from GITT.
3小结
本研究采用简便经济的合成方法，成功以低成本且易获取的生物质废弃物——高粱蒸馏谷物（SDG）为原料，制备出高性能硬质碳材料。选用SDG作为碳前驱体不仅具有成本优势，更符合可持续发展的原则。我们通过XRD、拉曼光谱、SEM、TEM及XPS分析系统研究了合成条件对所得硬质碳结构的影响。酸浸处理能有效去除生物质中的无机杂质，从而增大层间距并形成更无序的结构。这些特征有助于提供更多钠离子存储活性位点，同时降低比表面积，从而抑制过量SEI膜的形成。优化样品展现出320.2 mA h g⁻¹的高可逆容量，并具备优异的循环性能：在0.3 A g⁻¹条件下经100次循环后仍保持98.5%初始容量；在1 A g⁻¹高倍率条件下经300次循环后仍保留94.9%初始容量。当与Na₄Fe₃(PO₄)₂P₂O₇正极配对时，全电池展现出卓越的容量与循环寿命。其电化学性能可与其他已报道的生物质衍生硬质碳材料媲美。本研究为可持续、可规模化生产适用于钠离子电池的高性能硬质碳材料开辟了前景广阔的途径。
文献：
来源：材料分析与应用
来源：石墨烯联盟
