【助力科研】湖南大学刘继磊教授团队基于沥青氧化机制提升钠电池硬碳负极性能

随着可再生能源和电动汽车的快速发展，锂离子电池的需求激增。但锂资源有限且分布不均，促使科学家们寻找替代方案。钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉而备受关注。然而，传统的石墨负极并不适用于钠离子电池。于是，研究者将目光投向了硬碳材料。近日，湖南大学材料科学与工程学院刘继磊教授团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为《Oxidation-Induced Molecular Structural Transformations in Pitches with Different Softening Points Toward High Performance Sodium Storage》的文章，系统揭示了沥青预氧化处理如何调控其结构，从而制备出适用于钠离子电池的高性能硬碳负极材料。

研究背景

研究人员选取了软化点分别为150°C、200°C、250°C和280 °C的沥青，发现其氧化行为高度依赖于分子结构。软化点较高的沥青（如SP250）含有相互连接的多环芳烃结构，且芳香环上直接连接有甲基基团，使其更易被氧化。氧化过程中形成羧基、酯基等交联结构，进一步碳化后演变为具有无序结构和闭孔特征的硬碳，显著提升钠存储性能。

通过多种表征手段，研究团队揭示了沥青氧化交联的分子演变路径：

1.初期氧化：芳环上的甲基基团被氧化，生成羧基、酯基等含氧官能团。

2.芳环开环：随着氧化反应的进行，部分芳环发生开环反应，转化为支链结构。

3.交联网络形成：支链结构增加了氧化位点的暴露，进一步促进氧化反应，最终形成三维交联网络。

4.硬碳结构形成：交联结构在碳化过程中产生"钉扎效应"，阻止碳层滑移和有序堆叠，形成高无序度的硬碳结构。

相比之下，软化点较低的沥青（如SP150）缺乏此类结构特征，无法有效交联，碳化后仍为软碳，钠存储能力较差。

图1 SP150和SP250在氧化过程中的结构演变

先进表征手段

研究中的氮气吸附–脱附等温线由北京精微高博仪器有限公司的JW-BK200C型比表面积及孔径分析仪完成。结果表明，延长氧化时间可显著提高硬碳的比表面积（最高达43.8 m²/g），并促进介孔和闭孔的形成，这些结构对提升钠离子扩散动力学至关重要。

图3 孔径分布情况

电化学性能

图4 a四种样品的倍率性能 b恒流充放电曲线

预氧化处理显著提高了硬碳的无序度（ID3/IG从2.76降至2.27），形成了丰富的平台容量和斜坡容量区域。优化后的硬碳材料（SP250-10H-1400）在30 mA/g电流密度下可逆容量达259.6 mAh/g，首次库仑效率为76.4%，远优于未处理样品。该材料还表现出优异的倍率性能和循环稳定性，在150 mA/g下循环300次后仍保持117.8 mAh/g。电化学阻抗谱（EIS）和分布式弛豫时间（DRT）分析表明，预氧化硬碳具有更低的电荷转移电阻，有利于钠离子的快速扩散。

研究意义

该研究不仅厘清了沥青的氧化交联机制，还建立了前驱体结构—氧化行为—碳产物性能之间的定量关系，为高性能沥青基硬碳材料的设计提供了重要指导。通过精准控制沥青的软化点和氧化条件，可以定向制备高性能硬碳材料，推动钠离子电池向低成本、高性能、可工业化的方向发展。

在硬碳材料的研发和质控过程中，精准的孔隙结构表征是连接材料结构与电化学性能的桥梁。精微高博BK 200系列比表面积及孔径分析仪，凭借其超宽测试范围、多种分析模型和智能化设计，将成为钠离子电池硬碳负极材料研发和产业化进程中的得力助手。

关于JW-BK200C型比表面积及孔径分析仪

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