​物理所Nature Energy：硬碳负极快充的起源

目前商业化的锂离子电池功率密度不足会导致电动汽车的充电时间超过传统内燃机汽车的加油时间，造成目前普遍存在的“充电焦虑”问题。负极材料，尤其是锂离子电池中普遍使用的石墨负极，由于快充过程中容易发生析锂现象，成为快速充电技术的主要障碍。

在此，中国科学院物理研究所胡勇胜、陆雅翔和荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker等人报道了一类基于硬碳负极的快充型钠离子电池，该安时级别的26700型圆柱电池能够实现快速充放电，可在约9分钟内充放电的条件下（6.5C/6.5C）实现3000次充放电循环（100%DOD）。

研究表明，该硬碳负极不仅具有斜坡段电压存储容量，而且在高面积容量下（约2.2 mAh/cm²），能够在略高于金属钠析出电位的平台段提供容量，且未观察到金属钠的析出现象。

图1. 硬碳存储机制的定量化分析

总之，该工作通过深入的定量并行分析，对硬碳负极中锂和钠存储行为的结构-性能关系进行了细致的探索。该工作展示了安时级硬碳负极基钠离子圆柱电池的卓越快充性能和长循环寿命。通过交叉验证和定量分析，作者揭示了硬碳负极快充钠离子电池的起源，提出了一种统一的锂和钠存储机制——吸附（斜坡）-填孔（平台），以解决有关机理的争议，并合理解释了碳负极的优异动力学性能。

此外，利用纳米尺度和介观尺度模拟评估关键的热力学和动力学特性，该工作解释了锂和钠在平台区之间观察到的电位差，并将其归因于锂、钠与硬碳之间的界面能差异。因此，该研究为理解硬碳负极中的锂和钠存储行为提供了新的视角，并为进一步提高其性能提供了调整微观结构的通用设计原则。

图2. 纳米楔形孔的动力学分析

Origin of fast charging in hard carbon anodes, Nature Energy 2024 DOI: 10.1038/s41560-023-01414-5