https://doi.org/10.1002/adma.202211461【背景】钠离子电池（SIBs）被认为是电网级储能设备中最具竞争力的候选者之一，因为钠资源丰富，而且它们具有良好的电荷储存能力。硬碳（HCs）作为首选的SIB阳极引起了人们的注意，据报道，它能够在合适的石墨微域和纳米孔中储存Na。到目前为止，人们已经做了许多尝试来改善HCs的电化学性能，包括扩大层间距离以使Na+在石墨域中快速（脱）插层；优化多孔系统以提高Na+/Na簇在适当孔隙中的储存；以及引入杂原子（如N, S）。最近，这些努力被总结为对碳p带中心的操作，以平衡Na+的吸附能量和运输障碍，这通常可以通过改变碳前体或煅烧温度来实现。然而，调控碳氢化合物微观结构的传统方法遇到了瓶颈，速率性能和初始库伦效率（ICE）或比容量之间的权衡，以及其不满意的低温（LT）性能，仍然是阻碍碳氢化合物实际应用的挑战障碍。人们注意到，通过引入M-Nx-C配位（M、N和C分别表示金属、氮和碳原子），可以很容易地调节局部碳结构，这在电催化领域已经得到了广泛的研究。一些先驱研究将M-Nx-C引入到碳中，作为锂金属和锂硫电池和锂离子电容器的电极材料，可以提高锂的亲和力或触发多硫化锂的表面介导反应。最近的研究报告称，Fe-Nx-C可以使固体电解质界面（SEI）的可逆转换用于SIB，显示出453 mAh g-1的高容量，但由于其缺陷丰富的结构，ICE比较低。其他一些研究人员构建了ZnN-S结构，认为它能够在金属活性位点上储存额外的电荷，增强了钾离子电池（KIBs）的电化学性能。最近，有工作研究了碳微立方体支持的Cu单原子，其Cu同位素高达26.3wt%，作为SIBs的阳极材料，其比容量为107mAh g-1。然而，碳氢化合物的电化学性能受到碳氢化合物的体结构、电解质的溶剂化结构以及SEI化学的全面影响。【工作介绍】在上述研究的启发下，近日，上海大学赵玉峰教授 课题组报道了一种具有原子掺入的锌单原子（Zn-HC）的硬碳，以调节本体和表面结构。优化的Zn-HC具有扩展的石墨区域（d002 = 0.408nm）和高度发达的纳米孔（直径约0.8 nm），并减少了缺陷含量，这有利于快速的Na+存储。结果证实，Zn-N4-C结构可以催化NaPF6的快速分解，使其形成薄而无机物丰富的SEI和快速的界面Na+储存动力学，同时在石墨区中引发局部电场（LEF），提供一个临时的库仑力来加速Na+储存动力学，降低扩散能垒（0.60eV vs 1.10eV）。获得的HC材料展示了创纪录的高可逆容量（546 mAh g-1 @ 0.05 A g-1），速率能力（140 mAh g-1 @ 50 A g-1），ICE（84%），低温容量（443 mAh g-1 @ -40 °C），超过了最新的文献。所构建的全电池提供了323 Wh kg-1的高能量密度和7.02 kW kg-1的高功率密度（基于两个电极的总活性质量）。令人鼓舞的是，本工作披露了影响从RT到40 ℃不同温度下钠存储行为的基本因素。这项工作证明了对原子金属掺杂的碳氢化合物的性能提升机制的基本解释，并暗示了进一步提高LT性能的可能途径。该成果发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，第一作者是：Lu Zhixiu。 图1.Zn-HC的形态学结构特征和原子结构分析。 图2.Zn-HC和HC在室温（25℃）下的电化学特性。低温性能（-40℃）。 图3.HRTEM图像；XPS图谱；理论计算；增强速率能力机制的示意图。 图4.不同温度下Zn-HC和HC的电荷存储动力学分析。 图5. 电化学性能。 【结论】综上所述，通过一个典型的两步法精心构建了DAFR衍生的硬碳微球与ZnN4配置的结合。合成的样品表现出卓越的速率性能、可逆容量（546 mAh g-1 @ 0.05 A g-1, 140 mAh g-1 @ 50 A g-1）、低温（LT）容量（443 mAh g-1 @ 0.05 A g-1）和ICE（84%），同时实现了SIBs中能量密度（323 Wh kg-1）和功率密度（7.02 kW kg-1）之间的卓越平衡。更重要的是，对HC电极在不同温度下的电荷存储机制有了基本的了解。作者发现，HC上的局部结构或SEI调节可以显著抑制RSEI和RS，并有助于提高RT性能，而电解质固有的Na+迁移或去溶剂化能力代表了LT电荷转移动力学的决定性步骤。这项研究提供了一种新的策略来调节复杂的界面电化学和基于HC材料的电极化学，以实现从RT到LT的高性能Na存储。
Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries