发表时间2026 年 5 月 18 日录用2026 年 5 月 22 日在线发表 发表期刊及影响因子Materials TodayIF≈32.1 文章标题Triple-regulation engineered by atomic-level Zn on hard carbon enables robust sodium-ion batteries at −40 ◦C 研究团队吉林大学 汽车材料教育部重点实验室 核心突破独创 30 秒高温热冲击极速合成工艺一步制备原子级分散 Zn 掺杂生物质硬碳ZnBHC对比传统管式炉耗时大幅缩减、可规模化生产提出 “先催化、后挥发” 锌原子调控机制实现微观结构、离子输运、界面膜三重同步优化解决传统硬碳单一改性短板电化学性能断层领先超高倍率 20 A g⁻¹ 容量 227.2 mAh g⁻¹-40℃极寒环境 800 圈容量保持率 82.6%远超现有绝大多数碳负极理论 仿真完整揭示机理Zn-N₅位点降低钠离子扩散能垒、催化生成富无机稳定 SEI 膜全电池、软包电池均验证实际低温储能应用潜力 搜索关键词钠离子电池硬碳负极单原子锌高温热冲击低温储能钠离子电池的 “低温绝症” 终于被攻克锂资源稀缺、价格波动大钠离子电池是大规模储能、户外储能、高寒地区设备的最优替代方案。硬碳是钠离子电池最主流负极材料但它有两大致命痛点1、钠离子半径大在碳层里跑得慢快充性能差2、低温下离子迁移近乎停滞零下二三十度容量暴跌、循环几百圈就报废北方户外、极地储能设备根本没法用。过去科研圈改良硬碳只会单一手段要么扩大碳层间距要么杂原子掺杂没法同时兼顾结构、离子传导、电极界面三层问题。吉林大学团队另辟蹊径用壳聚糖生物质做碳源搭配挥发性金属锌仅 30 秒高温热冲击做出原子锌单原子硬碳 ZnBHC依靠锌 “先催化石墨化、再挥发造孔” 的特殊机制一次性完成三重调控就算 - 40℃极寒环境电池也能稳定循环上千次成果刊发材料顶刊 Materials Today材料怎么造一张图看懂合成与微观结构图 1 材料合成路线 原子尺度表征全套图谱图 1 (a) 合成示意图通俗解读原料是壳聚糖水凝胶锌离子和壳聚糖氨基牢牢结合送入高温热冲击设备仅 30 秒氩气高温处理锌先催化碳局部石墨化随后锌单质高温挥发逃逸最终留下布满单原子 Zn 位点、扩层多孔蜂窝碳材料 ZnBHC。传统管式炉碳化需要数小时本工艺几十秒完成能耗低、易工业化。图 1 (b) HAADF-STEM 高角环形暗场电镜画面里密密麻麻均匀分布的白色亮点就是孤立的锌单原子没有锌颗粒团聚证明成功实现原子级均匀分散这是本材料性能优异的核心基础。图 1 (c) HRTEM 高分辨透射电镜碳层呈现弯曲涡轮状结构内部布满大量封闭纳米微孔锌挥发后碳晶格发生畸变碳层间距被撑开给钠离子留出充足穿梭通道纯碳样品无此疏松多孔结构。图 1 (d) SAXS 小角 X 射线散射ZnBHC 出现明显宽散射峰代表材料内部大量纳米封闭孔封闭孔是低温下储存钠离子、提升容量的关键普通硬碳 BHC 孔结构稀少。图 1 (e-i) XAFS 同步辐射精细表征XANESEXAFS 小波变换 拟合同步辐射证明锌不是金属锌、氧化锌而是以 Zn-N₅五配位结构锚定在碳骨架上无 Zn-Zn 金属键完全单原子构型这种独特配位结构是三重调控的核心活性位点。本段小结锌原子全程 “催化 造孔” 双作用挥发后不会残留颗粒堵塞孔道同时形成稳定 Zn-N₅活性位点从微观结构根源改良硬碳。实测性能拉满快充、常温、极寒全维度碾压普通硬碳图 2 电化学储钠性能全测试图谱图 2 (a) CV 循环伏安曲线0.05 V、0.09 V 出现清晰可逆氧化还原峰代表钠离子在碳层嵌入脱出可逆性极强副反应少。图 2 (b) 首圈充放电曲线 首次库仑效率 ICE普通纯硬碳 BHC 首效仅 72.6%ZnBHC 高达 86.1%首效越高电池不可逆损耗越少实际可用容量越高Zn 单原子有效抑制电解液无效分解。图 2 (c) 倍率性能电流从 0.1 A g⁻¹ 飙升至 20 A g⁻¹ 超大快充ZnBHC 依旧保有 227.2 mAh g⁻¹ 容量对比纯碳 BHC 在 20 A/g 仅剩余 145.2 mAh g⁻¹快充能力差距巨大。图 2 (d)(e) 长循环稳定性1 A g⁻¹ 循环 3000 圈容量留存 84.5%10 A g⁻¹ 超高电流 5000 圈仍保留 71.7% 容量超长循环不衰减。图 2 (f) 和近年文献倍率性能对比同类型硬碳负极中ZnBHC 倍率性能稳居上游远超绝大多数已报道材料。图 2 (g)(h) -40℃极低温循环 低温性能对比零下 40℃严酷低温、0.1 A g⁻¹ 电流循环 800 圈容量保持 82.6%对比所有主流碳负极低温稳定性断层领先解决高寒储能痛点。本段小结不管是极速快充、万次长循环还是零下 40℃极寒工况Zn 单原子改性硬碳全方位吊打传统硬碳。钠离子到底怎么存原位表征完整揭示储钠三步机制图 3 原位拉曼、GITT、DRT 动力学机理图图 3 (a)(b) 原位拉曼光谱放电过程分两段变化高压斜坡区钠离子吸附在碳表面缺陷低压平台区钠离子嵌入碳层、填充内部封闭微孔充电过程完全可逆完整证明 “吸附 - 嵌层 - 微孔填充” 三步储钠机制。图 3 (c) 酚酞显色验证微孔储钠放电至 0.001V 低电压时溶液变红证明微孔内形成准金属钠充电后褪色说明微孔储钠高度可逆封闭微孔是低温高容量核心来源。图 3 (d) GITT 钠离子扩散系数全程 ZnBHC 的 Na⁺扩散系数比纯 BHC 高出一个数量级Zn-N₅位点大幅降低离子移动阻力低温下离子也能快速穿梭。图 3 (e)(f) DRT 弛豫时间阻抗分析ZnBHC 整体极化更小电荷转移阻力随循环持续降低电池越用离子传导越顺畅界面稳定无持续副反应。图 3 (g) 储钠机理示意图完整三步储钠逻辑①钠离子吸附在碳表面缺陷、Zn-N₅位点②钠离子嵌入扩大的碳层间隙③钠离子填充内部纳米封闭孔多重储钠位点协同贡献容量。DFT 理论计算、XPS 深度刻蚀、分子动力学仿真图图 4 (a)(b) Na⁺扩散能垒计算纯碳基底钠离子扩散势垒 2.43 eVZn-N₅位点仅 0.76 eV单原子位点大幅降低离子移动阻力实现超快快充。图 4 (c-f) XPS 深度刻蚀分析 SEI 固态电解质膜ZnBHC 表面生成的 SEI 膜薄且均匀富含高稳定性无机 NaF、硼氧化物普通 BHC 的 SEI 膜厚、有机组分多易持续分解消耗电解液。Zn-N₅可以催化电解液盐快速分解构建致密稳定保护层。图 4 (g)(h) 电解液盐解离能垒Zn 位点大幅降低 NaPF₆、NaBF₄分解能垒加速稳定无机 SEI 生成这也是低温下电池不衰减的关键。图 4 (i) 分子动力学 MD 仿真 NaF 成膜过程ZnBHC 表面 8000fs 即可形成稳定 NaF 保护层纯碳需要 16000fs界面成膜速度更快、膜层更均匀稳定。三重调控机制通俗总结结构调控Zn 催化局部石墨化挥发扩宽碳层、生成大量封闭微孔提供充足储钠位点离子输运调控Zn-N₅形成局部电场降低钠离子扩散能垒快充、低温下离子快速迁移界面化学调控单原子催化电解液分解生成富无机超薄稳定 SEI 膜隔绝电解液持续消耗超长循环稳定。全电池、软包电池落地真正具备产业化价值图 5 全电池与软包电池性能图谱图 5 (a) 全电池结构示意图ZnBHC 负极搭配 NVP 磷酸钒钠正极组装完整钠离子电池。图 5 (b) 全电池倍率性能10 A g⁻¹ 超大电流下仍保有 234 mAh g⁻¹ 容量大功率输出稳定。图 5 (c) 全电池长循环1 A g⁻¹ 循环 500 圈容量留存 73.5%实物可点亮 LED 灯组直观展示实际供电能力。图 5 (d) Ragone 能量功率密度图最高能量密度 252.4 Wh kg⁻¹峰值功率密度 6711.2 W kg⁻¹兼顾高储能与大功率快充。图 5 (e) 软包电池循环无预化成工艺直接组装软包电池0.5 A g⁻¹ 循环 300 圈容量保持 62.2%适配工业化电芯生产。图 5 (f) -40℃全电池低温循环极寒条件 500 圈容量保留 70.9%证明该材料可用于北方储能、极地设备、户外低温储能电源。全文总结工艺革新30 秒高温热冲击一步合成原子 Zn 单原子硬碳生物质原料低成本、制备速度远超传统工艺适配规模化量产机制创新基于挥发性锌 “催化 - 逃逸” 策略实现结构、离子传导、界面三重同步调控突破传统单一改性天花板性能顶尖超高倍率、超长循环、-40℃极寒稳定运行完美解决钠离子电池低温短板应用落地扣式全电池、软包电芯均验证实用价值在电网储能、高寒地区储能设备、低温便携电源领域拥有广阔应用前景。这项研究为低温高性能钠离子电池负极设计提供全新原子级改性思路也为下一代低成本储能电池开发开辟新方向