鈉離子電池（SIBs）被認為是一種很有前途的大規(guī)模儲能技術(shù)候選者，從低成本、資源豐富的前驅(qū)體中開發(fā)具有高儲鈉容量和初始庫侖效率（ICE）的先進碳負極對于SIB至關(guān)重要。

在此，北京化工大學徐斌教授等人提出了一種碳微晶雜化路線，在蔗糖的幫助下從褐煤中合成具有廣泛類石墨區(qū)域的硬碳。由于前驅(qū)體分子組成不同，褐煤熱解碳（LC）呈現(xiàn)出類石墨相為主的碳微晶結(jié)構(gòu)，層間空間較??；而蔗糖熱解碳（SC）主要由高度無序的碳相組成，單獨LC和SC都對鈉離子儲存沒有吸引力。因此，作者將褐煤粉末與蔗糖按一定比例混合，然后將混合物壓縮以促進兩種組分的緊密接觸，最后在400°C下進行熱處理制備了具有大量類石墨相的微晶雜化褐煤基硬碳（LCS）。褐煤和蔗糖兩種前體經(jīng)交聯(lián)相互作用形成碳基雜化微晶態(tài)，其中交錯的蔗糖分子有助于碳化過程。這種微晶雜化方法使碳能夠隨著層間距離的增加而顯示出顯著增強的類石墨相，從而實現(xiàn)有效的鈉離子插層和提取。此外，交聯(lián)分子的高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有助于減少碳表面缺陷，從而獲得高ICE值。

圖1. 制備微晶雜化煤基碳的示意圖及表征

作者研究了基于不同的褐煤/蔗糖質(zhì)量比制備的硬碳的電化學特性，其中LCS-73（褐煤/蔗糖質(zhì)量比為7:3）基于由合適層間距組成的相對較大的類石墨相和高電導率表現(xiàn)出最高的鈉存儲容量（356 mAh g^-1）和ICE值（82.9%）。此外，LCS-73在0.05 A g^-1下100 次循環(huán)后仍保持307 mAh g^-1的高容量，容量保持率為91.3%。甚至，基于LCS-73負極、O3-NaNi_1/3Fe_1/3Mn_1/3O₂正極組裝的全電池也具有240 Wh kg^-1的高能量密度（基于負極和正極材料總質(zhì)量）和10 C時106 mAh g^-1的出色倍率性能，在2 C下循環(huán)超過500次仍具有80%容量的出色循環(huán)性能。總之，這項研究提出的策略為開發(fā)高性能、低成本的碳基SIB負極材料提供了有效途徑，也可推廣到其他二次離子電池中碳質(zhì)材料的微晶結(jié)構(gòu)調(diào)控。

圖2. 不同碳樣品的電化學儲鈉性能

Microcrystalline Hybridization Enhanced Coal-Based Carbon Anode for Advanced Sodium-Ion Batteries, Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202200023