日前，从中国科学技术大学获悉，该校傅尧教授、李闯研究员团队在美国化学会旗下期刊《美国化学会志》（JACS）发表最新研究成果，提出一种全新的硬碳结构设计思路。该研究围绕“共价桥接”策略，构建了电子与钠离子能够协同高效传输的“双连续通道”结构模型，为高性能钠离子电池负极材料提供了新的设计路径。

在钠离子电池体系中，硬碳被认为是最具应用前景的负极材料之一，但其内部结构无序、碳层堆叠不规则，使电子传导路径不连续，同时钠离子在材料内部扩散路径曲折，二者叠加导致在高倍率充放电条件下反应动力学受限，成为制约其性能提升的关键因素。围绕这一问题，研究团队以碳量子点与硬碳骨架为基础，通过多种表征与理论计算手段，对材料内部传输机制进行了系统研究。

在此基础上，团队提出通过在硬碳表面引入碳量子点并形成稳定的共价连接，构建一种贯穿材料内部的传输网络。具体而言，高度石墨化的纳米结构与硬碳基体通过共价键实现连接，在材料内部形成电子与离子可以同步通行的连续通道。这种结构既提升了电子导电能力，也优化了钠离子的迁移路径，同时增强了材料整体结构稳定性。

多尺度结构分析结果表明，该材料中形成了由共价键稳定连接的功能化纳米结构单元，并均匀嵌入硬碳基体中，在保持较高缺陷密度的同时，实现了跨尺度结构协同优化。这种结构特征为电子与离子的协同传输提供了稳定支撑。

在电化学性能方面，基于上述结构设计的材料在多个关键指标上表现出明显提升。测试结果显示，其首次库伦效率达到92%，比容量达到391.1 mAh g⁻¹；在高倍率条件下仍能保持较高容量输出，在20C倍率下可实现250.8 mAh g⁻¹的可逆容量；循环稳定性方面，在15000次循环后容量保持率仍达83.5%。此外，在低温环境（-20°C）下，该材料依然能够维持较好的容量表现。研究团队还通过引入椰壳粉等生物质前驱体进行验证，表明该结构设计策略具备一定的通用性。

进一步的机理研究表明，该材料在储钠过程中经历了从缺陷/表面吸附，到层间吸附转化，再到孔内填充的多阶段过程。通过构建双连续传输结构，材料在保证容量输出的同时，有效提升了反应动力学性能，实现了快充能力与循环稳定性的兼顾。

整体来看，该研究从结构设计层面出发，系统解决了硬碳材料中电子与离子传输不同步的问题，在理论与实验上验证了双连续结构对储钠性能的促进作用。相关成果为钠离子电池负极材料的工程化优化提供了清晰路径，也为其在大规模储能及动力应用中的进一步推广奠定了基础。

来源:Carbontech