「国家杰青」纪效波领衔!长沙理工大学徐来强&中南大学侯红帅最新AFM丨酰胺键调控硬碳闭孔与SEI!

钠离子电池因钠资源丰富、成本低和电化学性质接近锂离子电池，被认为是大规模储能的重要候选体系。在负极材料中，硬碳兼具较大层间距、低储钠电位和良好循环稳定性，是目前最具应用前景的钠离子电池负极之一。硬碳容量通常来自高电压斜坡区和低电压平台区。

缺陷工程或杂原子掺杂虽然可以增加容量，却容易加剧电解液分解和不可逆容量损失；相比之下，精准构筑闭孔结构以提升平台容量，是兼顾高容量和高初始库仑效率的关键。

现有活化、预氧化等策略能够调控孔结构，但步骤复杂，并且前驱体分子拓扑如何遗传到硬碳微结构和SEI化学组成仍缺乏清晰认识。该工作将酰胺键交联引入前驱体设计，试图同时解决闭孔构筑和界面稳定两个核心问题。

近日，长沙理工大学徐来强、中南大学侯红帅在Advanced Functional Materials发表了题为"Revealing the Critical Role of Amide Bonds in Pore Structure and Interfacial Stability of Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Batteries"的研究论文。

核心亮点

1. 该研究以单宁酸和氨基葡萄糖为前驱体，通过酰胺键交联构筑三维网络，为硬碳闭孔结构调控提供分子级策略。

2. 酰胺键锚定作用抑制石墨微晶碎裂，引导碳层弯曲闭合，形成超薄壁闭孔并提升低压平台储钠容量。

3. TG硬碳表现出低比表面积和致密孔结构，减少电解液与碳基体内部表面的副反应，有利于提升初始库仑效率。

4. 交联网络引入的吡啶氮调控PF₆⁻还原路径，促进NaF富集SEI形成，增强界面稳定性与Na⁺传输动力学。

5. 优化硬碳负极实现338 mAh g⁻¹可逆容量、250 mAh g⁻¹低压平台容量，并在全电池中展现长循环耐久性。

📄 全文速览

硬碳被认为是钠离子电池最有前景的负极材料，但如何精准构筑闭孔以获得高平台容量，同时保证长期循环稳定性，仍是一项重要挑战。该工作提出一种基于酰胺键交联的分子工程策略，实现硬碳闭孔结构和界面化学的协同优化。

原子级酰胺锚点通过调控π–π堆积抑制石墨碎裂，并诱导局部曲率，使平面碳层转变为超薄壁闭孔结构。同时，交联网络引入的高活性吡啶氮位点改变电解液还原路径，降低PF₆⁻分解能垒，促进形成坚固且富含NaF的固体电解质界面。

最终，优化硬碳负极展现出高度可逆的储钠性能，实现250 mAh g⁻¹的低电压平台容量；即使在1 A g⁻¹高电流密度下，循环1000圈后仍保持95.14%的容量保持率。

与Na₃V₂(PO₄)₃/C正极匹配后，组装全电池也表现出优异循环耐久性。该工作建立了前驱体分子拓扑与硬碳结构、界面化学之间的关联，为钠离子电池硬碳负极设计提供了新路径。

📊 图文解读

图1 | 酰胺交联硬碳的合成路线及TA、GN、TG微观结构和元素分布对比。

图1展示了酰胺键交联策略如何从前驱体阶段构筑空间锚定网络，并在碳化过程中抑制晶粒碎裂、诱导闭孔形成。TEM结果显示，TG中出现大量扭曲石墨微晶和弯曲条带状伪石墨结构，而TA和GN闭孔结构不足；元素映射进一步证明N、O均匀嵌入碳骨架。

图2 | 热分析、XRD、孔结构、FTIR和Raman共同证明酰胺键调控硬碳结构演化。

图2围绕酰胺交联机制和孔结构优化展开。TG-FTIR与TG-DTA表明H₂O、CO₂释放及热行为并非简单前驱体叠加，而来自交联反应；

XRD显示TG具有适宜层间距，BET结果显示TG比表面积仅7.17 m² g⁻¹，说明多数孔为N₂难进入的闭孔或半闭孔。

图3 | XPS与SAXS揭示交联硬碳表面化学组成和闭孔结构特征。

图3通过C 1s、N 1s XPS和SAXS进一步解析硬碳的化学结构与孔结构。XPS用于比较TA、GN、TG的碳键合状态、杂原子含量和氮物种分布，证明TG保留了有利的N/O功能位点；SAXS拟合和二维图样则从纳米尺度支持TG闭孔结构更集中、更有序。

图4 | 半电池和全电池性能证明TG硬碳兼具高容量、倍率能力和长循环稳定性。

图4展示TA、GN、TG的初始充放电、循环、倍率和全电池表现。TG在0.1 C下实现更高可逆容量和更优容量保持，低电压平台贡献突出；

在1 C及1 A g⁻¹条件下仍保持稳定循环，与Na₃V₂(PO₄)₃/C正极组装的全电池也能长期运行并点亮LED。

图5 | 原位Raman、非原位XRD和GITT揭示TG硬碳的储钠机制与快速Na⁺扩散。

图5用于解析TG的储钠行为。原位Raman显示斜坡区D/G峰变化较小，对应Na⁺优先吸附于缺陷、边缘和表面活性位点；低电位区G峰红移并展宽，说明Na⁺进入闭孔并诱导碳层变化。GITT结果进一步表明TG具有更快Na⁺扩散动力学。

图6 | 深度剖析XPS和机制示意揭示吡啶氮促进NaF富集SEI形成。

图6比较GN、TG和TA负极表面SEI的C 1s、O 1s、F 1s、N 1s深度剖析结果，并给出吡啶氮诱导NaF富集SEI的机制。

TG中吡啶氮可调控电解液还原路径，促进NaPF₆分解形成更均匀致密的NaF主导界面层，从而降低界面阻抗并提升循环稳定性。

📝 总结

综上，该研究通过单宁酸与氨基葡萄糖之间的酰胺键交联，构筑了一种分子级可调控的硬碳前驱体网络。该网络在碳化过程中发挥空间锚定作用，抑制无序碎裂并诱导碳层闭合，从而形成有利于低电压平台储钠的闭孔结构。

同时，交联引入的吡啶氮位点能够调控电解液分解行为，促进形成富含NaF且更稳定的SEI膜。结构与界面双重优化使TG硬碳实现高可逆容量、优异倍率性能和长循环稳定性，并在全电池中展现应用潜力。

该工作说明，前驱体分子拓扑设计可以同时调控硬碳微结构和界面化学，为高性能钠离子电池硬碳负极提供了新的设计思路。

Revealing the Critical Role of Amide Bonds in Pore Structure and Interfacial Stability of Hard Carbon Anodes for Sodium-Ion Batteries,Advanced Functional Materials,2026,DOI:10.1002/adfm.76601