一、研究背景

钠离子电池（SIBs）由于地球上丰富的钠资源、低成本以及与锂相似的物理化学性质，有望在大规模储能系统中取代锂离子电池。然而，由于钠离子直径（1.02 Å）大于锂离子直径（0.76 Å）， sib电极材料表现出缓慢的钠离子储存动力学。目前，sib的核心问题是设计和开发具有可逆钠离子快速插入/提取性能和高容量的负极材料。近十年来，人们对sib极极材料进行了大量的探索，包括碳质材料、合金反应材料、钛基氧化物、硫基材料和一些有机材料。

从整体性能的角度来看，硬碳（hc）被认为是sib最先进的阳极材料，具有丰富的Na+存储位点，体积变化小，工作电位低的特点。然而，它仍然需要处理比容量、速率能力和初始柱效率（ICE）之间的权衡，以及令人不满意的低温性能。通过引入缺陷来提供更多的Na+吸附位点，扩大层间间距来加速Na+嵌入，以及优化多孔结构来提高Na簇存储等方法来提高hc的电化学性能。然而，传统的调节硬碳材料微观结构的方法遇到了瓶颈。因此，开发先进的策略来改变HCs的微观结构，进一步提高其电化学性能，对加快其实际应用具有重要意义。

碳氢化合物通常是通过在1000℃以上的高温下碳化前驱体，如生物质、糖和树脂来制备的。碳化过程对硬碳的微观结构起着至关重要的调节作用。传统的制造方法通常包括直接碳化或水热处理，然后碳化。通常，烧结过程需要几个小时，这意味着高能耗和低效率，这给hc的结构控制带来了挑战。以往的研究主要是通过降低加热速率或杂原子掺杂来减少hc中的缺陷或增加缺陷来获得高ICE，但关于快速烧结制备硬碳的报道很少。2021年，Zhen等人开发了一种火花等离子烧结技术，可以在几分钟内制备hc。他们得到了缺陷少、氧含量低的hc，导致ICE高达88.9%。结果表明，快速烧结法是优化碳纤维结构的有效方法。

闪光焦耳加热（FJH）是一项创新技术，已成功应用于石墨烯、碳纳米管和陶瓷的合成。受上述研究的启发，FJH在调节hc的结构和提高其电化学性能方面具有广阔的前景。本文通过FJH制备了粒径更小、层间距更大、闭孔更大的硬碳（CTSFS 1300）作为SIBs的阳极材料。与缓慢加热碳化的CTSFS 1300相比，CTSFS 1300的烧结过程超快（在1分钟内）。由于结构理想，制备的CTSFS 1300阳极在0.1 A g−1时具有314.7 mAh g−1的高可逆容量，在10 A g−1时显著提高了175.9 mAh g−1的倍率容量，并且具有良好的循环稳定性。在1 A g−1下循环2000次后，容量为187.9 mAh g−1，容量保持率为85% （CTS 1300的容量保持率仅为72.2%）。CTSFS 1300在−20℃下工作时，仍具有优异的Na+存储性能。

二、摘要

开发有效的策略来提高硬碳阳极的钠离子存储性能是其在钠离子电池中实际应用的关键。碳化过程对硬碳的微观结构起着至关重要的调节作用。传统的慢热碳化方法在硬碳材料的结构控制方面遇到了瓶颈。本文采用闪蒸焦耳加热设备，超快合成了具有高速低温储钠能力的硬碳。与传统慢速加热法合成的硬碳相比，闪蒸焦耳加热法合成的硬碳颗粒尺寸更小，层间距更大，闭孔更大，性能更优。本研究为提高硬碳材料钠离子存储性能提供了一种简单有效的方法。

三、结论

综上所述，通过闪蒸焦耳加热设备，合成了粒径更小、层间距更大、闭孔更大的硬碳材料作为sib的阳极。与传统慢速加热碳化材料相比，通过闪蒸焦耳加热制备的硬碳阳极具有更好的倍率性能（10a g−1时175.9 mAh g−1）、长期循环稳定性（10a g−1时187.9 mAh g−1，循环2000次后容量保持85%）和低温容量（10a g−1，循环1000次后容量为149 mAh g−1）。GITT和EIS表明，制备的硬碳具有2.84 × 10−10 cm2 s−1的大DNa+和较小的Rct，具有优异的性能。本研究为调节硬碳的微观结构以改善其电化学性能提供了一种新的策略，从而促进了硬碳在钠离子电池中的商业应用。

图1.CTSFS 1300的合成路线示意图

图2.（a, b） CTS 1300的SEM图像。（c, d） CTSFS 1300的SEM图像。(e) CTS 1300的透射电镜图像。(f) CTSFS 1300的透射电镜图像。(g) CTS 1300的HRTEM图像。(h) CTSFS 1300的HRTEM图像。