综述：从石墨到硬碳：多面性储钠反应及钠离子电池碳负极材料的未来展望

　　（编辑推荐）本综述系统探讨了钠离子电池(SIB)碳基负极材料的研究进展，重点解析石墨、硬碳(HC)及生物质碳的储钠机制，提出通过微观结构调控（如异质原子掺杂、多孔设计）优化性能，并展望机器学习(ML)辅助材料开发的潜力，为替代锂离子电池(LIB)提供低成本解决方案。

　　

碳基材料在钠离子电池中的应用

随着全球能源转型加速，钠离子电池(SIB)因钠资源丰富、成本低廉成为锂离子电池(LIB)的重要替代品。碳基负极材料因其高性价比和结构可调性成为研究焦点，其中石墨虽在LIB中表现优异，但其狭窄层间距（~0.335 nm）难以有效嵌入较大半径的Na⁺
（1.02 ?），导致SIB中容量不足。相比之下，硬碳(HC)的随机堆叠石墨微晶和丰富纳米孔（2-50 nm）可实现更高的可逆容量（300-350 mAhg^?1
），其储钠机制包含“斜坡区”（表面吸附）和“平台区”（纳米孔填充）的协同作用。

硬碳的储钠机制揭秘

硬碳的性能与其微观结构密切相关：

1. 层间距调控：通过高温处理或硫/氮掺杂可将层间距扩大至0.37-0.42 nm，促进Na⁺
   嵌入；
2. 孔隙工程：闭孔结构（<2 nm）通过“毛细管凝聚”效应存储钠，而大孔（>50 nm）提升离子传输速率；
3. 表面化学：含氧官能团（如C=O）增强Na⁺
   吸附，但过量会导致不可逆副反应。
   值得注意的是，硬碳在醚类电解液中表现更优，其形成的薄且稳定的固体电解质界面(SEI)膜可减少活性钠损失。

商业化挑战与未来方向

尽管硬碳负极已实现初步产业化（如宁德时代发布的SIB能量密度达160 Whkg^?1
），但仍面临挑战：

• 一致性难题：生物质前驱体（如椰壳、淀粉）的组分差异导致批次波动；
• 成本瓶颈：高温 pyrolysis（>1200°C）能耗高，需开发低温催化石墨化技术；
• 理论认知缺口：钠在闭孔中的准金属态存在形式尚存争议。
  未来突破点可能在于：机器学习(CGCNN模型)预测材料构效关系、3D打印定制化多孔碳架构，以及钠金属/硬碳复合负极的界面优化。

作者贡献与展望

该团队通过跨学科合作，系统梳理了碳材料从基础研究到产业化的技术路径，特别强调生物质衍生碳的可持续性优势。随着原位表征技术（如同步辐射X射线衍射）的进步，钠存储行为的动态解析将加速高性能材料的理性设计，推动SIB在储能电网和低速电动车领域的规模化应用。