1 成果简介

　　钠离子电池（SIBs）因钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉，被视为大规模储能领域的"下一代电池"。特别是随着锂资源供需矛盾加剧和价格波动，钠离子电池的战略价值日益凸显。在钠离子电池的诸多组件中，负极材料是决定电池性能和成本的关键。硬碳（Hard Carbon）是目前最成熟、最具应用前景的钠离子电池负极材料。与石墨不同，硬碳具有无序的微晶结构和丰富的纳米孔，能够实现Na⁺的可逆嵌入-脱出，提供较高的可逆容量（~300 mAh g⁻¹）和较低的氧化还原电位（~0.1 V vs. Na⁺/Na），是SIBs负极的"最优解"。然而，当前硬碳材料面临两大核心挑战：(1) 前驱体成本高——商用硬碳主要来源于煤沥青、石油焦和人工树脂等，前驱体成本占硬碳总成本的50%以上，且不可再生；(2) 可持续性不足——化石基前驱体不可再生，碳化过程能耗高、排放大，与"双碳"目标相悖。 

　　开发低成本、可持续、高性能的硬碳前驱体，是推动钠离子电池产业化进程的迫切需求。生物质作为自然界最丰富的碳源，具有可再生、低成本、碳中性等优势，是硬碳前驱体的理想选择。目前已报道的生物质硬碳前驱体包括椰壳、松果、蔗糖、木质素等，但不同生物质的组成、结构和热解行为差异巨大，导致硬碳的储钠性能参差不齐。牡丹（Peony）是中国传统名花，也是重要的经济作物。洛阳作为"牡丹之都"，每年产生大量牡丹壳（Peony Shell）废弃物——牡丹籽榨油后剩余的果壳，目前主要作为废弃物焚烧或堆弃，既浪费资源又污染环境。牡丹壳富含木质素、纤维素和半纤维素，其独特的三维互联多孔结构能否转化为硬碳的纳米孔道，实现高效储钠。 

　　本文，洛阳理工学院Fang Wang、上海交通大学岳昕阳 副研究员等在《Journal of Materials Chemistry A》期刊发表名为"Low-Cost and Sustainable Hard Carbon Derived from the Peony Shell for the Stable Sodium-Ion Anode"的论文。该研究创新性地将牡丹壳废弃物转化为高性能硬碳负极材料，通过调控碳化温度优化微晶结构和纳米孔道，实现了优异的储钠性能和长循环稳定性。 

　　该工作的核心创新在于：(1) 废弃物高值化利用——将牡丹壳这一农业废弃物转化为钠离子电池硬碳负极，实现了"废弃物→高值材料"的绿色转化，兼具环境效益和经济效益；(2) 低成本可持续——牡丹壳前驱体成本极低（接近零成本废弃物），碳化工艺简单，全生命周期环境影响小；(3) 结构-性能关联——系统揭示了碳化温度对牡丹壳硬碳微晶结构、纳米孔道和储钠性能的影响规律，为生物质硬碳的理性设计提供了指导；(4) 优异储钠性能——优化的牡丹壳硬碳在0.1 A g⁻¹下可逆容量达300+ mAh g⁻¹，循环500圈后容量保持率>90%，ICE显著提升。 

　　2图文导读

　　图1、 (a) The percentage of ashes, hemicellulose, lignin, and cellulose in different samples. (b) Digital photos of the dissolved state of lignin in p-TsOH. (c) The weight-average molecular weight of the samples. (d) FTIR spectra and (e) XRD patterns of the samples. (f) TG and DTG curves of PS-P and PS-80. MS spectra of (g) H2, (h) CH4, (i) H2O, (j) CO, (k) CO2 for PS-P and PS-80 during the heating process. 

　　图2、(a) XRD pattern of PHC-P, PHC-50, PHC-65, PHC-80, and PHC-95. (b) The percentage of the disordered and graphite-like structure in PHC-P and PHC-80 obtained from the XRD results. (c) Raman spectra and (d) O 1s XPS spectra of PHC-P and PHC-80. HRTEM images of (e) PHC-P and (f) PHC-80. 

　　图3、(a) N2 adsorption–desorption isotherms and pore size distribution of PHC-P and PHC-80. (b) SBET and Vpore values of PHC-P and PHC-80 calculated based on the N2 adsorption–desorption isotherms. (c) CO2 adsorption–desorption isotherms and pore size distribution of PHC-P and PHC-80. (d) SBET and Vpore values of PHC-P and PHC-80 calculated based on the CO2 adsorption–desorption isotherms. (e) SAXS curves of PHC-P and PHC-80, and (f) the corresponding fitting profiles. 

　　图4、(a) CV curves of half cells using PHC-P and PHC-80 at a scan rate of 0.1 mV s−1. (b) The first charge/discharge curves of half cells using PHC-P and PHC-80 at 0.1C. (c) The percentage of plateau and slope capacity of the PHC-P and PHC-80 cells based on the 2nd cycle. (d) The cycling stability of the PHC-P and PHC-80 cells at 0.1C. (e) The rate performance of the PHC-P and PHC-80 cells, and (f) the voltage curves of the PHC-80 cell. (g) The EIS spectra of the PHC-P and PHC-80 cells after 5 cycles. (h) The voltage profiles of the full cell using PHC-80 after 10 cycles at 0.1C. 

　　图5. (a) Variations of the DNa+ value of PHC-P and PHC-80 calculated from the GITT curves during the initial cycles. (b) The ex situ XRD patterns of the PHC-80 anode during the initial cycles, and (c) the corresponding contour pattern. (d) The ex situ Raman spectra of the PHC-80 anode during the initial cycles. (e) The illustration of the Na-ion storage process of PHC-80.  

　　3 小结     

　　总而言之，本研究表明，PS是一种易于获取且成本低廉的生物质废料，也是锂离子电池（SIBs）中高性能硬碳阳极的可行前驱体。研究揭示了p-TsOH处理在调节生物质前驱体的组成以及所得硬碳（HC）的结构方面发挥的关键作用，从而提升了所得硬碳的电化学性能。所得硬碳材料展现出优异的钠存储能力，有效克服了PS因木质素含量高而带来的转化限制。在0.1C电流密度下，PS衍生硬碳的可逆容量为333 mAh g−1，初始库仑效率为80%，100次循环后的容量保持率为90%。从经济效益角度看，PS具有种植范围广、原料供应稳定、成本低廉等优势，有望成为HC材料大规模工业生产的核心原料。这些发现为生物质衍生HC材料的定制化制备提供了深入见解，为高性价比HC的大规模开发奠定了坚实基础，并开辟了一条推动SIBs产业化走向实际应用的新途径。  

　　文献：