导语
钠离子电池的普及一直受制于硬碳负极材料的性能瓶颈：追求高倍率快充，就会牺牲初始效率与循环寿命。近日，中国科学院合肥物质科学研究院王佩瑶博士后及主要通讯作者赵邦传研究员、温州大学侴术雷/吴星樵团队与安徽工业大学何孝军团队在《ACS Nano》 上发表颠覆性研究成果。团队开发了一种氨基氮引导的贯通孔工程策略，成功破解了硬碳材料的层间束缚难题，制备的负极材料实现了94.9%的超高初始库仑效率，并在高达50 A/g的惊人电流密度下，仍能保持208.2 mAh/g的可逆容量，性能远超现有报道。该工作为推进钠离子电池的产业化应用提供了里程碑式的材料解决方案。

🔍 研究亮点

1. 效率突破：初始库仑效率高达94.9%，大幅提升了钠离子电池的能量密度和续航表现。

2. 功率巅峰：在50 A/g的超高电流密度下，容量保持208.2 mAh/g，赋予了钠电池接近超级电容器的快充能力。

3. 寿命卓越：在5 A/g下循环9000次后，容量保持率高达92.5%，展现了超长的循环寿命。

4. 机制创新：通过氨基氮引导构建垂直贯通孔，并诱导生成高可逆性吡啶氮，从根源上解决了副反应多、离子传输慢的难题。

📷 图文解析

• 图1 设计机理：示意图清晰展示了如何通过气相辅助热解，在硬碳中构建垂直贯通孔道，并完成从不可逆吡咯氮向高可逆吡啶氮的转化，为钠离子开辟了高速扩散路径。

  

• 图2 结构表征：高分辨电镜图像直观对比了改性后的材料具有更丰富的孔道结构。XPS谱图则证实了氨基氮的成功引入与吡啶氮的主导地位。

  

• 图3 理论模拟：计算结果表明，改性后的材料对钠离子的吸附能力更强，尤其是在垂直方向上的扩散能垒显著降低，从理论上验证了贯通孔道对提升动力学的关键作用。

  

• 图4 电化学性能：充放电曲线和倍率性能图直观展示了材料94.9%的超高首效和极其优异的倍率性能。全电池测试进一步证明了其实际应用潜力，能量密度和功率密度均处于领先水平。

  

• 图5&6 界面与机理：通过深度XPS剖析等技术，发现改性材料表面形成了薄而稳定的梯度SEI膜，有效减少了副反应。原位拉曼等分析明确了其高度可逆的吸附性储钠机制。

  

⚙️ 技术支撑

本研究的成功实施依赖于以下关键技术与理论：

• 精准热解工艺：可控的气相辅助热解技术，是实现氮掺杂构型转变与贯通孔道构建的核心。

• 多尺度表征平台：结合HRTEM、XPS、Raman等先进表征手段，从微观到宏观全面解析材料结构与化学状态。

• 理论计算模拟：通过DFT计算，从原子和电子层面理解了氮物种的作用和钠离子的传输行为，指导了材料设计。

• 完备电化学测试体系：通过多种测试方法，系统评估并证实了材料在半电池和全电池中的卓越性能。

💎 总结与展望

本研究通过创新的氨基氮引导贯通孔工程，成功解决了硬碳材料在初始效率与倍率性能之间的“性能矛盾”，实现了94.9%的超高首效和50 A/g电流密度下的出色容量保持。这项工作不仅为高性能硬碳负极的设计提供了全新的思路，也标志着钠离子电池向大规模储能和高速充电应用迈出了关键一步。未来，这一策略有望拓展至其他碱金属离子电池体系，具有广阔的产业化前景。

文献信息
Unlocking Interlayer Confinement Enables All-Slope Hard Carbon with Ultrafast and Highly Reversible Sodium Storage
ACS Nano, 2025
DOI: 10.1021/acsnano.5c14641