随着可再生能源和大规模储能需求的增长，发展高效、低成本的电池技术变得至关重要。钠离子电池由于钠资源丰富、成本低廉等优势，被视为锂离子电池的有力补充，成为储能领域的研究热点。然而，开发适用于钠离子电池的高性能、低成本负极材料仍然是一个挑战。生物质衍生硬碳作为一种有前景的候选材料，因其丰富的孔隙结构和易于调控的表面官能团而备受关注。然而，传统生物质衍生的硬碳往往呈现块状微米级颗粒，离子扩散距离较长造成倍率性能不佳。

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所张涛研究员团队在钠离子电池负极硬碳材料方面取得新进展。团队采用富含维管束组织的叶表皮，通过调整碳化温度，结合高温碱洗处理，制备得到了维管束衍生碳结构，在此过程中，通过探索不同微结构对维管束衍生碳储钠性能的影响，发现维管束形成的直通孔结构能有效的缩短钠离子传输路径，使维管束衍生碳拥有优异的倍率性能。研究成果以“Vascular tissue-derived hard carbon with ultra-high rate capability for sodium-ion storage”为题，近日发表在Carbon上（Carbon, 2024: 118955）。论文第一作者为上海硅酸盐所2021级硕士研究生潘国宇，通讯作者为张涛研究员和孙壮副研究员。

研究团队采用了一种简单高效的制备方法，包括水生植物筛选，叶片剥离、碳化以及后续的碱/酸洗涤步骤，获得了具有分级孔结构、涡轮类石墨域、以及特殊表面官能团的硬碳材料。维管束组织的孔结构以平行排列的直通孔为特征，这些直通孔道在整个维管组织中均匀有序地分布，其可作为电解液的渗透途径，形成通向VHC内部的离子传输通道。实验证明，1200℃碳化得到的VHC-1200因其独特的外部孔隙结构（如高比表面积硅质细胞位点）以及可提供离子高效传输通道的直通孔结构，大大提高了钠离子从电解液向硬碳内部的交换速率，促进了钠离子的快速扩散，并且其多孔结构有助于容纳材料在充放电过程中的体积应变，从而极大地增强了循环稳定性及电池的倍率性能。其作为钠离子电池负极，实现了285.3 mAh g^‑1的可逆比容量，可稳定循环1000圈，并在3 A g^‑1电流密度下仍能维持121 mAh g^-1的比容量。

以上研究工作得到了国家自然科学基金委、国家高层次人才特殊支持计划、上海市科委科技创新行动计划及山东泰安产业技术创新研究院等的资助和支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.118955。

维管束衍生碳的制备流程及其表面形貌

不同碳化温度下的维管束衍生碳物性表征及微结构

维管束衍生碳的电化学性能