近日，我校碳中和科学与工程学院联合中国科学院合肥物质科学研究院、安徽工业大学、温州大学等单位，在钠离子电池硬碳负极材料的设计与制备方面取得突破性进展。相关研究成果以“Time-sequence autogenous shrinkage engineering toward hard carbon anodes with dominant closed porosity for high-performance sodium-ion batteries”为题，发表在国际能源材料领域顶级期刊《Energy Storage Materials》上。该工作创新性地提出了一种“时序自收缩孔工程”策略，成功制备出富含亚纳米级闭孔的硬碳负极材料，显著提升了钠离子电池的首次库伦效率、循环稳定性和倍率性能，为开发高性能、低成本的钠离子电池提供了关键材料解决方案。

时序自收缩孔工程机制示意图

钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，在大规模储能领域应用前景广阔。硬碳材料因其高理论容量、结构稳定及前驱体成本低等优点，被视为最具应用潜力的钠离子电池负极材料之一。然而，硬碳的实际应用长期受限于较低的首次库伦效率和不稳定的电极-电解质界面。其根源在于难以精确调控的孔道结构：过多的开放孔会导致电解液持续分解，形成厚而不均的固体电解质界面膜，从而大量消耗活性钠离子，并阻碍离子传输。

针对这一难题，研究团队独辟蹊径，提出了“时序自收缩孔工程”的原创性策略。研究者设计并采用4-十二烷基苯胺作为一种兼具反应活性和两亲性的“智能模板”。在花生壳生物质的水热预碳化过程中，该模板的苯胺头基通过化学作用锚定在碳骨架上，而其长烷基链则像“分子 spacer”一样，创造出初始的孔腔空间。在后续的高温碳化过程中，烷基链的热分解触发了孔腔体与化学锚定的孔口之间差异化的自收缩：孔腔得以保留，而孔口则被收缩、收窄（图1 所示）。这一“时序”过程在一步热解中，同步实现了内部孔体积的创造和孔口的亚纳米化收缩，最终得到了以闭孔（孔径<0.37 nm）为主导的硬碳材料。

图1 时序自收缩孔工程机制示意图及相关表征与模拟

基于该策略优化的硬碳负极（HHC-DDA）展现出卓越的综合电化学性能（图2所示）：（1）极高的首次效率，在钠离子半电池中，其首次库伦效率高达92.3%，远超未改性样品（82.8%）及多数文献报道值。这归因于丰富的亚纳米闭孔可作为“分子筛”，有效阻隔溶剂分子、富集阴离子，从而引导形成薄且无机物丰富的稳定界面膜，极大减少了不可逆钠损耗。（2）超长的循环寿命，在2 A g^-1的高电流密度下循环1000次后，容量保持率高达98.5%，表现出优异的循环稳定性。而未改性样品在相同条件下容量衰减严重。（3）出色的倍率性能，即使在5 A g^-1的超高倍率下，仍能提供206.2 mAh g^-1的可逆容量，展现了快速的电荷存储与传输动力学。（4）优异的全电池性能，与Na₃V₂(PO₄)₃正极组装的钠离子全电池，能量密度达245.6 Wh kg^-1，且在5C高倍率下仍能稳定工作，展示了良好的实际应用前景。

图2 电化学性能

该项研究不仅开发了一种高效制备高性能硬碳负极的“一体化”新方法，更重要的是从“时序自收缩”的物理化学过程这一新维度，为理解和实现硬碳孔结构的精准调控提供了全新的设计思路。所提出的策略将“孔结构创造”与“孔口收缩”两个关键步骤在单一热解过程中协同完成，实现了对硬碳负极“孔-界面”性质的同步调控。这项工作为开发适用于下一代高能量密度、长寿命钠离子电池的先进负极材料提供了切实可行的技术路径，具有重要的科学价值与应用潜力。

论文信息：

文章链接

相关成果以“Time-sequence autogenous shrinkage engineering toward hard carbon anodes with dominant closed porosity for high-performance sodium-ion batteries”为题发表在《Energy Storage Materials》期刊上，论文第一作者为安徽理工大学碳中和科学与工程学院博士后徐申东。

论文网址：

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105107