QCM-D揭示閉孔結構的溶劑化調控機制與硬碳負極的鈉存儲性能
用戶成果｜天津大學楊全紅團隊Nature Communications：應用QCM-D揭示閉孔結構的溶劑化調控機制與硬碳負極的鈉存儲性能
背景知識
鈉離子電池（SIBs）因資源豐富、成本低廉，被視為鋰離子電池（LIBs）的理想替代品，尤其適用于大規模儲能。然而，其商業化進程受限于負極材料的性能瓶頸。硬碳因其高儲鈉容量成為研究熱點，其中閉孔結構被認為是提升初始庫侖效率（ICE）和循環穩定性的關鍵。但長期以來，閉孔的定義模糊（如僅基于N₂吸附能力），且缺乏明確的設計原則，導致電化學性能難以突破。近日，天津大學楊全紅團隊以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”為題在《Nature Communications》上發表了相關研究，其中應用了QSense QCM-D技術揭示了閉孔結構的溶劑化調控機制與硬碳負極的鈉存儲性能，取得重大進展。
研究方法
研究團隊以碳分子篩（CMS）為模型材料，通過高溫處理（800–1600°C）精確調控孔口尺寸（PMS），并系統分析了其對溶劑化結構和SEI的影響：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：僅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：無法吸附N₂和CO₂。
拉曼光譜、FTIR、SAXS：分析溶劑化結構、SEI成分及孔內分布。
DFT計算：模擬不同缺陷結構對鈉存儲的貢獻。
實驗結果與分析
Group II（CMS-800）：部分脫溶劑化，形成接觸離子對（CIPs），SEI仍含大量有機成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm時，大部分溶劑殼層被“篩除”，陰離子聚集體（AGGs）主導孔內溶劑化結構，生成無機富NaF的薄SEI，ICE高達91%，循環200次容量保持率95%。
揭示SEI分層形成機制：CMS-1300在高電位區（1.4–0.87 V）優先生成無機SEI，顯著抑制溶劑分解。
結論與展望
精準調控缺陷類型（如邊緣缺陷），進一步提升低電位容量。
基金支持
本研究由國家自然科學基金（52202278、22379109、U23B2077）、中國科協青年人才托舉工程（2022QNRC001）等資助。
原文鏈接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
背景知識
鈉離子電池（SIBs）因資源豐富、成本低廉，被視為鋰離子電池（LIBs）的理想替代品，尤其適用于大規模儲能。然而，其商業化進程受限于負極材料的性能瓶頸。硬碳因其高儲鈉容量成為研究熱點，其中閉孔結構被認為是提升初始庫侖效率（ICE）和循環穩定性的關鍵。但長期以來，閉孔的定義模糊（如僅基于N₂吸附能力），且缺乏明確的設計原則，導致電化學性能難以突破。近日，天津大學楊全紅團隊以“Redefining closed pores in carbons by solvation structures for enhanced sodium storage”為題在《Nature Communications》上發表了相關研究，其中應用了QSense QCM-D技術揭示了閉孔結構的溶劑化調控機制與硬碳負極的鈉存儲性能，取得重大進展。
研究方法
研究團隊以碳分子篩（CMS）為模型材料，通過高溫處理（800–1600°C）精確調控孔口尺寸（PMS），并系統分析了其對溶劑化結構和SEI的影響：
- 孔口尺寸分類：
Group II（CMS-800/1000，孔口0.35–0.5 nm）：僅吸附CO₂。
Group III（CMS-1100/1300/1600，孔口<0.35 nm）：無法吸附N₂和CO₂。
- 關鍵表征技術：
拉曼光譜、FTIR、SAXS：分析溶劑化結構、SEI成分及孔內分布。
DFT計算：模擬不同缺陷結構對鈉存儲的貢獻。
實驗結果與分析
- 孔口尺寸對SEI的影響：
Group II（CMS-800）：部分脫溶劑化，形成接觸離子對（CIPs），SEI仍含大量有機成分，ICE提升至61%。
Group III（CMS-1300）：孔口<0.35 nm時，大部分溶劑殼層被“篩除”，陰離子聚集體（AGGs）主導孔內溶劑化結構，生成無機富NaF的薄SEI，ICE高達91%，循環200次容量保持率95%。
- QCM-D的核心作用：
揭示SEI分層形成機制：CMS-1300在高電位區（1.4–0.87 V）優先生成無機SEI，顯著抑制溶劑分解。
- 缺陷的“屏蔽效應”：
結論與展望
- 閉孔新定義：孔口<0.35 nm（以CO₂為探針）是理想閉孔標準，可優化SEI成分并激活缺陷的可逆儲鈉能力。
- 實際意義：為硬碳負極的工業化設計提供理論指導，推動高能量密度、長壽命鈉離子電池發展。
- 未來方向：
精準調控缺陷類型（如邊緣缺陷），進一步提升低電位容量。
基金支持
本研究由國家自然科學基金（52202278、22379109、U23B2077）、中國科協青年人才托舉工程（2022QNRC001）等資助。
原文鏈接
Nature Communications | 10.1038/s41467-025-59022-8
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