西北工业大学AFM：闪蒸焦耳加热技术调控生物质硬碳闭孔结构，助力高性能钠离子存储

随着全球能源需求的不断增长，开发高性能、可持续的储能技术成为当务之急。钠离子电池（SIBs）因其资源丰富、成本低廉而被视为未来储能的理想选择之一。然而，其性能瓶颈在于缺乏理想的负极材料。硬碳（HC）因其独特的结构特性，如可调节的层间距和丰富的孔隙，被认为是最接近商业化的钠离子电池负极材料。尽管如此，硬碳的钠存储机制仍存在争议，尤其是如何通过简单高效的方法构建闭孔结构以提升其低电位平台容量和初始库仑效率，仍是当前研究的关键科学问题。目前，传统的闭孔构建策略大多复杂且耗时，限制了硬碳材料的商业化进程。因此，探索一种快速、高效且具有普适性的硬碳闭孔调控方法，对于推动钠离子电池技术的发展具有重要意义。

论文概要

2025年3月4日，西北工业大学王洪强教授、徐飞教授团队团队在

Advanced Functional

Materials

图文解读

图1展示了通过预热处理和闪蒸焦耳加热（FJH）制备硬碳（HC）的示意图，并对比了直接FJH碳化的过程。图1a通过流程图清晰地说明了预热处理如何将生物质转化为高碳化能力的框架结构，随后通过FJH在高温下快速生成闭孔结构。这种闭孔结构为钠离子提供了丰富的存储位点，而预热处理则通过增加层间距为钠离子的传输提供了便利通道。图1b展示了纤维素纳米晶体的X射线衍射（XRD）图谱，其高结晶度（85.7%）表明了纤维素的热稳定性。然而，直接进行FJH处理的样品（HC25-J-1500）碳化产率极低（仅约1%），这说明预热处理对于提高产率至关重要。图1c和1d通过热重分析（TGA）展示了不同温度下纤维素的热稳定性，揭示了预热处理能够显著提高生物质的碳化效率。这些结果表明，预热处理是实现高效碳化和闭孔结构形成的关键步骤，为后续的FJH处理奠定了基础。

图2通过一系列实验数据揭示了预热处理对硬碳微观结构的影响。图2a和2b的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，经过预热处理和FJH处理的样品（HC600-J-1500）具有更高的短程有序性，表现为局部石墨化区域与非晶碳域的结合。这种结构为钠离子的存储提供了丰富的活性位点。图2c的XRD图谱进一步证实了这一点，显示了预热处理后样品的层间距显著增加（达到0.393纳米），这为钠离子的嵌入和脱出提供了更大的空间。图2e中的d002值和ID1/IG比值表明，预热处理能够有效调控碳材料的缺陷浓度，从而影响其最终的微观结构。图2g至2j通过比表面积（SBET）、真密度和小角X射线散射（SAXS）分析，揭示了预热处理后样品中闭孔体积和尺寸的显著增加，这直接关联到其优异的钠离子存储性能。图2k的示意图总结了不同热处理条件下硬碳孔结构的演变过程。这些结果表明，预热处理不仅提高了硬碳的产率，还通过调控孔结构显著提升了其钠离子存储能力。

图3探讨了闪蒸焦耳加热（FJH）温度对硬碳闭孔结构形成的影响。图3a和3b的HRTEM图像显示，随着FJH温度的升高，闭孔尺寸显著增大，且石墨化程度逐渐提高。这表明FJH温度对硬碳的微观结构有重要调控作用。图3c通过XRD分析进一步揭示了FJH温度对层间距的影响，随着温度升高，层间距逐渐减小，反映了石墨化程度的增强。图3e展示了不同FJH温度下样品的真密度和闭孔体积，表明适当的FJH温度能够最大化闭孔体积，从而提高钠离子的存储容量。图3f的示意图总结了闭孔结构的形成机制，指出过高温度会导致闭孔的收缩，而适中的温度则有利于形成丰富的闭孔结构。这些结果表明，FJH温度是调控硬碳孔结构和性能的关键参数。

图4通过电化学测试结果展示了预热处理对硬碳钠离子存储性能的影响。图4a的充放电曲线显示，经过预热处理的样品（HC600-J-1500）在初始放电容量和初始库仑效率（ICE）方面显著优于未经过预热处理的样品（HC25-J-1500）。图4b对比了不同硬碳样品的性能，进一步证实了预热处理的优势。图4c揭示了样品在不同电位区域的放电容量贡献，表明闭孔结构在低电位平台容量中发挥了关键作用。图4d的倍率性能测试显示，预热处理后的样品在高电流密度下仍能保持较高的容量，这归因于其优异的孔结构和钠离子传输性能。图4e和4f的循环稳定性测试表明，预热处理后的样品在长循环过程中表现出优异的容量保持率。这些结果表明，预热处理通过优化硬碳的孔结构，显著提升了其钠离子存储性能。

图5分析了闪蒸焦耳加热（FJH）处理对硬碳电化学性能的影响。图5a的充放电曲线显示，不同FJH温度处理的样品中，HC600-J-1500在初始放电容量和ICE方面表现最佳。图5b进一步揭示了样品在第二周循环中的平台容量贡献，表明闭孔数量的增加与平台容量的提升密切相关。图5c的倍率性能测试表明，HC600-J-1500在不同电流密度下均表现出优异的性能，这归因于其适中的石墨化程度和丰富的闭孔结构。图5d通过循环伏安（CV）曲线分析了样品的动力学行为，表明预热处理和FJH温度对钠离子的传输和扩散有显著影响。图5e通过恒电位间歇滴定技术（GITT）计算了钠离子的扩散系数，进一步证实了闭孔结构在钠离子存储中的关键作用。图5f的原位拉曼光谱揭示了钠离子在充电过程中的存储机制，表明闭孔结构促进了钠离子的吸附、插入和团聚。这些结果表明，FJH处理通过调控硬碳的微观结构，实现了高效的钠离子存储性能。

总之，本研究成功开发了一种基于预热处理与闪蒸焦耳加热（FJH）的生物质衍生硬碳闭孔调控策略，显著提升了硬碳负极材料的性能。预热处理通过构建超微孔结构，将纤维素转化为高碳化能力的框架，提高了生物质衍生硬碳的最终产率。在此基础上，FJH处理快速生成了丰富的闭孔结构，并通过扩大层间距为钠离子提供了高效的传输通道。这种碳相调控技术具有广泛的普适性，可应用于多种生物质前驱体，展现出极高的灵活性。实验结果表明，优化后的硬碳负极材料展现出高达93.3%的初始库仑效率和377 mAh/g的可逆容量，其钠离子存储机制被证实为“吸附-层间吸附-插入-闭孔填充”模式。本研究不仅为高性能钠离子电池硬碳负极材料的设计与合成提供了新的思路，也为生物质资源的高效利用开辟了新的途径。未来的研究方向可能包括进一步优化预热处理和FJH工艺参数，探索更多生物质前驱体的应用潜力，以及深入研究闭孔结构与钠离子存储性能之间的定量关系，以推动钠离子电池技术的商业化发展。

总结展望

文献信息：Rapid Closed Pore Regulation of Biomass‐derived Hard Carbons Based on Flash Joule Heating for Enhanced Sodium Ion Storage. Yuqian Qiu;Yanxia Su;Xiaohan Jing;Hao Xiong;Duo Weng;Jian‐Gan Wang;Fei Xu;Hongqiang Wang. ISSN: 1616-301X , 1616-3028; DOI: 10.1002/adfm.202423559. Advanced functional materials. , 2025

超快高温焦耳热冲击技术推广

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超快高温焦耳热冲击技术介绍

焦耳高温加热技术，特别是闪蒸焦耳热和快速焦耳热技术，是材料科学领域的一项重大革新。凭借其无与伦比的加热速度和精确的温度控制，这项技术为材料制备和性能研究带来了全新的视角。

该技术基于焦耳定律，通过大电流产生的电阻热，在极短时间内实现材料的快速升温，甚至能在1秒内将材料加热至3000-4000℃的高温。这种极速的温度变化为材料制备和处理提供了前所未有的可能性。焦耳高温加热技术显著超越了传统加热方法，如马弗炉和管式炉，其加热速度之快，远非传统加热设备所能比拟。

马弗炉、管式炉升温装置VS焦耳热升温装置

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焦耳高温热冲击装置

焦耳高温热冲击材料制备装置可实现毫秒级别升温和降温，能达到1秒内升温至3000K的效果，试验样品可以是薄膜、块体、粉末等。对比现在常用的马弗炉、管式炉升温慢、加热时间长等缺点，极大地节约了科研人员宝贵的科研时间，并且会有与马弗炉和管式炉不同的冲击效果。该装置可抽真空或者是通氛围气体使用，还可以根据要求进行定制。公司致力于实验室（超）高温解决方案。目前我公司设备已广泛应用于能源催化材料、石墨烯等二维材料、高熵化合物、陶瓷材料等材料的超快速高质量制备。

1）焦耳加热装置标准版

2）焦耳加热装置通量定制版

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应用成果

• Ultrarapid Nanomanufacturing of High‐Quality Bimetallic Anode Library toward Stable Potassium‐Ion Storage. Angewandte Chemie., 2023. DOI: 10.1002/anie.202303600

• Ultrafast Non-Equilibrium Phase Transition Induced Twin Boundaries of Spinel Lithium Manganate, Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302484

• High-temperature shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles for catalysis. Chinese Journal of Catalysis, 2023. DIO: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64428-6.

• Rapid High-Temperature Liquid Shock Synthesis of High-Entropy Alloys for Hydrogen Evolution Reaction. ACS nano., 2024. DOI: 10.1021/acsnano.3c07703

• Rapid, in Situ Synthesis of High Capacity Battery Anodes through High Temperature Radiation-Based Thermal Shock. Nano Letter 2016, 16 (9), 5553-5558. DOI:10. 1021/acs.nanolett.6b02096.

• High-Temperature Shock Enabled Nanomanufacturing for Energy-Related Applications. Advanced Energy Materials 2020, 10 (33), DOI: 10. 1002/aenm.202001331.

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