钠资源丰富、成本低廉，是锂离子电池的有益补充。与锂离子电池中常用的石墨负极不同，无定形碳材料因其结构多样、性能优异而成为钠离子电池中最具前景的负极材料。无定形碳通常根据石墨化难易程度分为软碳和硬碳。相比于软碳，硬碳通常由随机取向的碳层和纳米域组成，结构复杂多样且具有较多的储钠活性位点。两者不同的碳层排列、纳米孔隙、缺陷和杂原子等特征结构对其储钠性能有着不同的影响，可以通过前驱体的选择、碳化条件的控制和杂原子掺杂等方式来优化碳结构，其中前驱体的选择是关键。除了前驱体的固有结构决定了最终特性外，官能团在碳化过程对结构转变也起了很大作用。氧元素是前驱体中固有的元素，还参与Na⁺的氧化还原反应或化学吸附，有助于提高Na⁺的储存能力。目前针对含氧官能团的研究主要集中在碳化后材料中的官能团对储钠的影响，但前驱体中官能团的影响尚不清楚。因此，优化前驱体的选择，了解前驱体中含氧官能团对无定形碳负极最终结构和电化学性能的影响至关重要。

选用两种结构式已知但含氧官能团不同的蒽醌衍生物作为前驱体材料，并经高温碳化处理。对其微观结构和电化学性能进行了综合表征，不同含氧官能团前驱体对所制备碳的微观结构和储钠行为有较大影响。此外，通过分析对比材料碳化前后官能团种类和变化趋势，发现其与碳化交联过程有关。将二者与沥青复合从而改变前驱体含氧官能团并使二者具有相似的含氧官能团，发现复合后的材料具有相似的微观结构和储钠行为。最后通过综合分析总结出前驱体包含哪种官能团会形成较为无序结构/有序结构，展现硬碳/软碳储钠行为。

选用两种结构式已知但含氧官能团不同（A-COOH和A-OH）的蒽醌衍生物作为前驱体材料，并经高温碳化处理。通过综合结构和电化学分析，我们发现前驱体中不同类型官能团直接影响碳化交联过程的差异。若前驱体中含有足够多的链间氧或非环内的不饱和键的含氧官能团，其有利于氧原子在结构中保留或交联从而产生更多的C-O-C基团，从而抑制高温石墨化形成展现出类硬碳的行为。若前驱体中含有含有环内不饱和键含氧官能团、C-O-C或环外羟基，则表现出类软碳行为。该工作强调了前驱体中官能团类型和含量的重要性，并从前驱体选择的角度为未来无定形碳负极的设计提供指导。

图1（a-b）A-COOH和A-OH未碳化前的SEM图像。（c-d）A-COOH 1400和A-OH 1400的TEM图像（内图：SEM图）。（e）A-COOH 1400和A-OH 1400的XRD图。（f）层间距和ID/IG值。（g）A-COOH 1400和A-OH 1400的氮气脱吸附曲线（内图：孔分布图）。（h）SAXS图。（i）元素分析测得的氧的质量分数。

图2 （a）A-COOH 1400和A-OH 1400首周和第二周的充放电曲线。（b）A-COOH和A-OH的储钠行为示意图。（c）A-COOH 1400和A-OH 1400拟合后的阻抗图。（d）A-COOH 1400和A-OH 1400的在5C下的循环稳定性图（前五周用的使0.1C）。（e）A-COOH 1400和A-OH 1400的倍率性能。（f）A-COOH 1400和A-OH 1400的扩散系数。

图3 （a-d）A-COOHs和A-OHs拟合后的XPS图。（e）A-COOH Pristine和A-COOH 1400氧官能团含量及变化趋势图。（f）A-OH Pristine和A-OH 1400氧官能团含量及变化趋势图。（g）A-COOH和A-OH碳化过程的裂解机理示意图。（h）A-COOH-P Pristine、A-COOH-P 800和A-COOH-P 1400氧官能团含量及变化趋势图。（i）A-OH-P Pristine、A-OH-P 800和A-OH-P 1400氧官能团含量及变化趋势图。

图4 （a）前驱体不同官能团对碳化交联过程影响的示意图。（b）前驱体中氧官能团对结构影响的示意图。

谢飞，中国科学院物理研究所副研究员，2015年本科毕业于四川大学物理学院，后获国家公派留学资助于2020年在英国伦敦大学玛丽女王学院获得博士学位，回国后在中科院物理所进行博士后研究，2022年入选物理所“百人计划”。研究方向主要为高比能钠离子电池负极材料、界面及电池关键技术。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊发表论文10余篇，先后主持或参与中国博士后科学基金面上项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目及企业横向项目等，作为硬碳章节第一作者参与编写英文专著《Sodium-Ion Batteries: Materials, Characterization, and Technology》（Wiley‐VCH GmbH）。

陆雅翔，中国科学院物理研究所副研究员，博士生导师，中国科学院青年创新促进会会员，国家优秀青年科学基金获得者，国家重点研发计划（青年项目）首席科学家。主要从事二次电池关键材料、界面性质及器件构筑等相关研究工作。近五年在Science、Nature Energy等国内外重要学术期刊上发表学术论文50余篇，H-因子36，已授权中国发明专利10余项，参著《钠离子电池科学与技术》，主持国家自然科学基金面上项目、北京市自然科学基金面上项目和企业前瞻性战略研发项目等。荣获华为技术有限公司“优秀创新人才奖”（2020），北京市科学技术协会“首都前沿学术成果”奖（2022）和北京市科学技术奖自然科学奖一等奖（2022，2/9）等多项学术荣誉和奖励。

胡勇胜，中国科学院物理研究所研究员，北京中科海钠科技有限责任公司董事长，国家重点研发计划“百兆瓦时级钠离子电池储能技术”项目首席科学家，英国皇家化学学会会士/英国物理学会会士，2017年入选第三批国家“万人计划”科技创新领军人才，中国科协十大代表。先后承担了国家科技部863创新团队、国家杰出青年科学基金等项目。自2001年以来，主要从事先进二次电池的应用基础研究，立足科学前沿和聚焦国家重大需求，注重基础与应用，在钠(锂)离子电池正负极材料、多尺度结构演化、功能电解质材料等方面取得多项创新性研究结果。在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.等国际重要学术期刊上共合作发表论文300余篇，引用40000余次，H-因子102，连续9年入选科睿唯安“高被引科学家”。合作申请80余项中国发明专利、已授权50项专利（包括多项美国、日本、欧盟专利），合著中/英文专著《钠离子电池科学与技术》（科学出版社）及《Sodium-Ion Batteries: Materials, Characterization, and Technology》（Wiley‐VCH GmbH）各一本，获2021年度北京市科学技术奖（自然科学奖）一等奖。

Tang X, Xie F, Lu Y, et al. Intrinsic effects of precursor functional groups on the Na storage performance in carbon anodes. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5643-9.

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文