硬碳在可逆容量、工作电位、循环寿命和丰富的资源等方面具有完全平衡的性能，是最有前途的实用钠离子电池负极材料之一。硬碳主要由两类纳米结构域组成，一种是具有涡轮层状结构和无规取向的石墨微区。另一种是内部微孔，可以认为是石墨微区之间的空隙。这两个结构域都可以电化学存储钠，而纳米级的内部孔隙是电化学钠存储的主要活性中心，并且有助于可逆的氧化还原活性。因此，具有合适大小以容纳钠团簇的内部微孔对于设计更高容量的硬碳至关重要。

近日，日本东京理科大学Shinichi Komaba报道了利用MgO模板技术合成了新型硬碳材料，在非质子钠电池中表现出478 mAh g^-1的可逆容量和88%的初始库仑效率。

文章要点

1）合成条件的系统研究表明，冷冻干燥工艺，包括原料Mg Glu（Mg(C₆H₁₁O₇)₂）和Glc（葡萄糖，C₆H₁₂O₆）在溶液中的混合，提高了MgO源的均匀分散性。一旦在600 ℃的预热过程中形成了MgO纳米晶，在1500 ℃的后热过程中，MgO会充当模板，在最终生成的硬碳中形成纳米大小的气孔。大的纳米孔（或纳米尺寸的孔洞）和周围具有宽层间空间的薄石墨层对于硬碳的高容量钠存储至关重要。

2）实验结果显示，在低电位下（ca. 0.085 V vs. Na）的容量高达478 mAh g^-1，同时，以硬碳为负极，以P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/2Ti_1/6O₂为正极材料的全电池的能量密度高达358 Wh kg-1，与磷材料（2000 mAh g^-1）相当。

得益于非化学计量的Na储存容量（NaC_4.7，478 mAh g^-1），预计未来的硬碳材料将进一步提高Na储存容量。

参考文献：

Azusa Kamiyama, et al, MgO-Template Synthesis of Extremely High Capacity Hard Carbon for Na-Ion Battery, Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI: 10.1002/anie.202013951

https://doi.org/10.1002/anie.202013951