钠离子电池新型负极材料研究

研究亮点

• 动力学解耦碳化策略：通过低温热解和快速高温加热分步实现碳材料的精准结构调控，显著降低能耗（约80%）。
• 高性能扩展碳材料：扩展碳（EC）具备更大的晶粒尺寸和层间距，展现出超过300 mAh/g的高比容量、优异的倍率性能及长达6000次的循环稳定性。
• 机器学习优化：引入机器学习技术，快速优化碳化工艺参数，提升了研究效率，为未来材料设计提供了新思路。

图文解读

图 1：传统碳化与动力学解耦碳化的对比

• (A) 传统碳化与动力学解耦碳化的示意图：传统碳化中热解、结晶和石墨化过程紧密相连，难以单独调控；动力学解耦碳化则先低温（700°C）热解去杂质，再快速高温（1950°C，22 秒）加热促使碳原子重排。

• (B) 软碳（SC）、商业硬碳（HC，Kuraray）和扩展碳（EC）在 10 C 倍率下（截止电压 0.01 V）和 0.2 C 倍率下（截止电压 0.05 V）的钠离子存储性：相比商业硬碳，EC 在 10 C 倍率下容量高出 89%，在 0.05 V 截止电压下容量高出 55%，凸显其优异的钠离子存储性能。

• (C) SC、HC 和 EC 在 0.1 至 10 C 不同电流密度下的典型容量：清晰展示 EC 在不同电流密度下的容量优势，尤其在高倍率下表现突出。

图 2：扩展碳与传统软碳的对比

• (A) 传统碳化和动力学解耦碳化的温度曲线及能耗对比：解耦碳化显著降低能耗约 80%，在温度控制上有独特优势。

• (B) SC 和 EC 的 XRD 图谱：EC 的晶面衍射峰向低角度偏移，表明其层间距更大，利于钠离子存储。

• (C) SC 和 EC 的拉曼光谱：EC 具有更高的 sp² 碳含量，为钠离子嵌入提供有利条件。

• (D) SC 和 EC 的 PDF 长程和放大轮廓：揭示 EC 具有更大晶粒尺寸和扩展层间距，提供更多活性位点。

• (E) EC 的 TEM 图像：直观呈现 EC 的微观结构特征，证实其结构优势。

• (F) 随温度升高，碳化过程中 XRD 图谱的演变：表明解耦碳化能有效抑制石墨化，保持层间距扩展。

• (G) 动力学解耦碳化过程中晶粒尺寸、层间距和氧含量的演变：展示解耦碳化对材料结构和成分的影响。

图 3：碳化过程的理论计算及机器学习优化

• (A) 2600°C 下碳化过程的示意图：呈现 PT 分子在高温下碳化形成碳团簇的过程。

• (B - D) 不同温度下氧含量（B）、碳六元环数量（C）和层间距（d002）（D）的演变：揭示高温对杂质去除、结晶化及层间距变化的影响。

• (E) 优化过程中容量的演变：表明通过机器学习优化，在 1950°C、22 秒条件下，EC 比容量达最优值 314 mAh/g。

• (F) 经过两次迭代后，对负极容量的预测：体现机器学习在精确调控碳化过程中的重要作用。

图 4：软碳、硬碳和扩展碳的电化学性能

• (A - B) 商业硬碳（HC）和扩展碳（EC）前 3 圈的循环伏安（CV）曲线：显示 EC 具有更高容量和更稳定的循环性能。

• (C) 第一周期 0.2 C 倍率下的钠化 / 脱钠电位曲线：表明 EC 在 0.2 C 倍率下比容量高达 310.6 mAh/g，且高倍率下容量保持率高。

• (D - F) 三者的倍率性能（D）、容量分布（E）和第一周期后的电化学阻抗谱（EIS）（F）：EC 展现出优异倍率性能和较低电荷传输阻抗。

• (G - H) HC 和 EC 在 0.2 C（G）和 10 C（H）倍率下的循环稳定性：EC 在两种倍率下循环稳定性均显著优于 HC。

图 5：扩展碳的钠离子存储机制

• (A - B) 扩展碳（EC）和硬碳（HC）在 2 - 0.01 V 放电过程中的精修原位 XRD 图谱及电位 - 时间曲线：EC 在宽电位范围实现钠离子嵌入，层间距扩展，而 HC 有钠金属析出。

• (C - D) EC 和 HC 的钠离子扩散系数（Ddiff）：EC 在放电过程中扩散控制稳定，HC 在低电位有钠金属析出。

• (E) EC 电极中电容性和扩散控制容量的贡献比例：扩散控制过程在 EC 中占主导。

• (F) EC 和 HC 负极（钠化态）的 23Na 固体核磁共振（ssNMR）谱图：证实 EC 在低电位下不会形成钠金属枝晶。

• (G) 在 0.2 C 倍率下，截止电压为 0.05 V 时，HC 和 EC 的循环稳定性性能：EC 在该条件下容量保持率更高。

图 6：动力学解耦碳化的规模化生产前景

• (A) 动力学解耦碳化合成的碳负极前驱体及其比容量：显示该方法对多种碳前驱体的适用性。

• (B) 传统加热和动力学解耦策略下，碳负极在高倍率下的比容量：EC 在 5 C 倍率下容量达 241.6 mAh/g，高于传统加热制备的材料。

• (C) 动力学解耦碳化的自动化生产示意图：展示通过隧道炉实现大规模生产的可行性。

• (D) 从多个维度对比硬碳（HC）和扩展碳（EC）：EC 在高容量、倍率性能、安全性、原材料来源和能耗方面优势明显。

  
  

萧文德  教授

上海交通大学

报告题目：硅烷及碳化硅工艺发展前沿

岳之浩  教授/董事长

江西硅瀛新能源科技有限公司 董事长/南昌大学教授

报告拟定中……

陈永  教授

佛山大学

报告题目：多孔炭材料结构测试及表征

宋江选  教授

西安交通大学 教授

题目 从液态到固态：新一代硅碳负极材料/粘结剂协同设计

郑洪河  教授

苏州大学

报告拟定中……

胡亮  董事长

赣州立探新能源科技有限公司

报告拟定中……

刘晓旭  教授

陕西科技大学

报告题目：多孔碳关键合成装备与技术

时志强  教授

天津工业大学
报告拟定中……

杨金杯 技术总监

江苏浦士达环保科技股份有限公司

报告拟定中……

韩晶  总经理

苏州纽姆特纳米科技有限公司

报告拟定中……

王旭升 博士

石家庄尚太科技股份有限公司

报告题目：新型硅碳负极多孔炭基底的设计与思考

丁俊 副总经理

四川物科金硅新材料科技有限责任公司

报告题目：硅基负极材料技术与进展

胡亮  董事长

赣州立探新能源科技有限公司

报告拟定中……

韩凯  首席科学家/教授

胜华新材料科技（眉山）有限公司 首席科学家/中南大学教授
报告题目：气相沉积硅碳稳定性与动力学性能提升研究

贺霄飞 副总经理

洛阳联创锂能科技有限公司
报告题目：硅碳负极用碳基材的研究开发 
 

杨晓园  博士

河南大潮炭能科技有限公司

报告拟定中……

杜洪彦 总经理

烟台中圭新材料科技有限公司

报告拟定中……

何志飞  总经理

深圳沃飞科技有限公司

报告拟定中……

多孔碳技术专家

济南圣泉集团股份有限公司

报告拟定中……

柯书龙 研发主任

宜昌南玻硅材料有限公司

报告题目：硅烷的成本构成

END

1.多孔碳材料精英计划。      

山东贝亿特科技有限公司

重庆弗迪研究院有限公司

中国石化新能源研究所

堀场（中国）贸易有限公司

四川大学

广东凯金新能源科技股份有限公司

苏州反应链新材料科技有限公司

柔电（武汉）科技有限公司

河北坤天新能源股份有限公司

洛阳新能源科技发展集团有限公司

广东钠壹新能源科技有限公司

昌邑森汇新材料有限公司

安徽鑫祺泰活性炭有限公司

杭州和利时自动化有限公司

新加坡SVEE公司

容创未来（天津）新能源有限公司

深圳市明盛新能源科技有限公司

广东迪纳新材料科技有限公司

常州硅源新能材料有限公司

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黄河三角洲京博化工研究院有限公司

石家庄波特无机膜分离设备有限公司

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上海儒特机电设备有限公司

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上海亿鼎技术(集团)有限公司

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远石资本

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