实现钠离子电池（SIBs）的快速充电对于加速其市场渗透至关重要。硬碳（HC）因其高容量和低工作电位被认为是SIBs最有希望的负极材料。然而，硬碳负极中钠离子扩散动力学缓慢，限制了其在快速充电场景中的实际应用。
在此，中国科学院化学研究所郭玉国、四川大学张千玉等人通过合理设计一系列基于苯酚-甲醛树脂（PF）的硬碳负极材料并调控其微孔尺寸，深入分析了孔径与钠离子存储性能之间的关系。
结合原位/非原位表征技术与理论计算，揭示了硬碳的钠存储机制：在充钠过程中，钠离子先嵌入层间并吸附在缺陷位点（斜坡区），随后填充较小孔隙，最后填充较大孔隙（平台区）。微孔的钠填充电位较高，可降低高电流密度下钠金属析出的风险，从而提升倍率性能。
优化后的硬碳材料（闭孔尺寸为1.6 nm）在20 mA g⁻¹的电流密度下展现出超过400 mAh g⁻¹的初始容量，且在500 mA g⁻¹的电流密度下保持73.3%的平台保持率。将其与P2型层状氧化物正极匹配组装成2.2 Ah软包电池，在6C倍率下10分钟内可充入约90%的容量，并在1500个循环后保持约90%的容量。
图1. 机制探究
总之，该工作通过对一系列基于苯酚 – 甲醛树脂（PF）的硬碳负极材料进行合理设计，深入分析了微孔尺寸与倍率性能之间的相关性。结合原位/非原位表征技术以及理论计算，发现硬碳表现出分阶段的钠存储过程，其中斜坡区涉及钠离子嵌入层间以及在闭孔内表面缺陷位点上的少量吸附，而平台区则主要与孔隙填充相关。
基于此，优化后的PFPI – 13负极材料在20 mA g⁻¹的电流密度下实现了401.6 mAh g⁻¹的高容量以及89%的首次库仑效率，并且在500 mA g⁻¹的电流密度下展现出73.3%的高平台保持率。
此外，采用PFPI – 13负极材料与P2型正极材料组装的2.2 Ah软包电池，在6C倍率下10分钟内可充入约90%的容量，并且在1500个循环后仍能保持约90%的容量。因此，该工作阐明了硬碳负极材料中孔结构与倍率性能之间的关系，为快速充电钠离子电池的开发和产业化提供了宝贵的见解。
图2. 电池性能
Insight into the Role of Closed-Pore Size on Rate Capability of Hard Carbon for Fast-Charging Sodium-Ion Batteries, Advanced Materials 2025 DOI: 10.1002/adma.202501434
郭玉国，研究员（二级），国科大岗位教授，博导，“杰青”，“国家重点研发计划”首席科学家。 长期从事能源电化学与纳米材料的交叉研究，在高比能锂离子电池、锂硫电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果，致力于推动基础研究成果的实际应用，开发出的高性能硅基负极材料实现了产业化。在Nat. Mater.、Nat. Energy、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem、Joule、Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文360余篇，他人SCI引用超过46000次，h-index为112，2014-2021连续八年被科睿唯安评选为全球“高被引科学家”。
张千玉，山东菏泽人，四川省杰青，理学博士&博士后，博士生导师，副研究员（长聘岗位）。毕业于复旦大学；2013~2014年美国加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD）；2015~2017年中国科学院广州能源研究所助理研究员；2018~2019年美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）访问学者；2019~2020年美国树城州立大学（BSU）高级研究学者；2021年~至今四川大学材料科学与工程学院副研究员。长期从事新能源材料方向基础研究及应用工作，主要聚焦于水系二次电池、固态电池、锂硫电池及锂/钠/钾离子电池等方向研究，迄今以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Advanced Functional Materials、Materials Today、Materials Science & Engineering R等国际著名期刊上发表SCI论文60余篇。