中科院深圳先进院唐永炳/张帆/潘庆广等围绕钠基双离子电池在高倍率下“平台容量易衰减、动力学偏慢”的核心瓶颈，提出离子介导的碳微域精准调控策略：以锌离子作为配位诱导因子，定向构筑高活性含氮物种(尤其提升氧化态氮比例)；同时以乙酸根温和成孔，精确调控分子尺度封闭孔结构。两者协同作用，一方面加速钠离子去溶剂化与界面反应动力学，另一方面提供更多平台区储钠位点，从而在高电流密度下仍能保持突出的平台容量与倍率性能。优化的碳负极在1 C下实现了253 mAh g⁻¹的平台容量，并在双离子电池体系中展现出超长循环稳定性，10 C下循环10,000次后容量保持率仍高达80.6%。该工作为突破平台主导型储钠体系的动力学限制提供了可推广的结构设计思路。

I碳微域精准调控：锌离子定向掺氮，协同构筑特定闭孔结构

如图1所示，通过“锌离子介导”的结构控制在碳骨架内实现两类关键微结构的协同构筑。首先，在前驱体阶段，壳聚糖分子中的氨基与锌离子发生强相互作用：FTIR显示N–H相关振动峰位与强度变化，指示电荷重新分布；进一步的Zn K边EXAFS与其傅里叶变换谱(图1b–c)给出清晰的Zn–N配位信号，证明锌离子对含氮位点具有“定向配位/牵引”作用。其次，在热处理过程中，乙酸根参与温和成孔，使材料形成可调的孔结构：孔径分布(图1d)与HRTEM(图1e–h)显示样品闭孔由石墨化微域堆叠卷绕而成；SAXS(图1i)拟合得到的封闭孔体积参数与平台比容量呈定量正相关(图1k)，并与不同样品的容量对比(图1j)相互印证，表明平台容量增强与特定闭孔的孔体积密切相关。与此同时，碳K边NEXAFS(图1l)定量表明MEC3(改性碳材料)的sp²碳比例高于MEC0(对比碳材料)(由6.36%提升至7.61%)，说明锌离子可以诱导生成石墨化微域；N 1s XPS(图1m)进一步揭示：与MEC0相比，MEC3中氧化态氮显著增加，而石墨氮明显降低、吡啶氮/吡咯氮变化不大，体现了锌离子“定向配位”对含氮物种演化路径的调控。整体而言，图1从“配位证据—孔结构证据—容量关联—化学态证据”四个层面，建立了碳微域精准调控与平台容量增强之间的结构—性能逻辑链。

图1. 形貌结构表征与原子结构分析。

II 动力学跃迁：MEC3实现“平台贡献”在高电流下的有效维持

如图2所示，对Na||MEC3半电池进行了系统电化学评估，直接验证了“碳微域精准调控”对高倍率平台容量与反应动力学的提升效果。首先，在0.1–2 C倍率测试中(图2a)，MEC3整体倍率性能显著优于对照样品MEC0；对应的恒流充放电曲线(图2b–c)表明，MEC3在倍率提升过程中仍能保持清晰、占比更高的低电压平台输出。进一步对平台区进行单独对比(图2d)，MEC3在高倍率下平台容量衰减明显减小；与已报道典型碳基负极对比(图2e)，其平台区倍率性能处于领先水平。与此同时，MEC3在0.2 C下表现出长时间稳定循环(图2f)，说明其结构调控不仅提升“快”，也兼顾“稳”。 为进一步从动力学角度定量解析差异，作者采用扫描速率依赖分析对电流响应进行分离(图2g)，比较了表面控制(电容型)贡献与扩散控制贡献，结果指向MEC3具有更有利的动力学响应特征；同时，通过温度依赖的阿伦尼乌斯方程(图2h，ln(k)–1/T)评估速率常数的温度响应，证明MEC3对应的动力学过程具有更优的热激活特征(即更快的速率过程/更低的动力学限制)。

图2. Na||MEC半电池电化学性能与动力学分析。

III “吸附—填充”储钠机制和闭孔主导的平台储钠

如图3所示，结合非原位/原位表征对MEC3的储钠机理进行了逐步拆解，并给出了指向性很强的证据链。首先，放电过程中非原位XRD(图3b–c)显示(002)衍射峰强度发生变化但峰位几乎不移动，这表明储钠过程并非以典型层间“插层扩距”为主，而更可能与表面/缺陷吸附及孔结构相关。随后，非原位与原位拉曼(图3d–e)在不同荷电状态下呈现可追踪的谱带演化，支持硬碳体系常见的“斜坡区吸附→低电压平台区孔填充”储钠过程。更关键的是，SAXS在放电前后对比(图3f)出现散射强度降低，说明封闭孔内外电子密度对比被削弱，通常对应Na在封闭孔中的填充/占据。根据这一原位数据的变化趋势(图3g)，明确平台容量主要来自封闭孔填充贡献。最后，辉光放电光谱(图3h)提供了放电过程中Na元素的深度分布信息：Na信号随放电加深而增强并与容量演化相一致，进一步从“元素维度”验证了平台阶段的Na存储行为。

图3. MEC3储钠机理表征。

IV 理论揭示：氧化态氮降低去溶剂化能垒，提速平台区动力学“速控环节”

如图4所示，通过DFT从原子尺度解释了“锌离子介导掺氮演化—动力学提升”的内在逻辑，并将关键落点指向Na⁺去溶剂化这一平台区反应中的速控步骤。首先，结构模型对比(图4a)表明：在Zn²⁺作用下，含氮位点更易沿特定路径演化为氧化态氮物。相应地，计算了氧化态氮在不同边缘构型(zigzag/armchair)上的形成热力学路径(图4b)，为“氧化态氮富集”的结构来源提供理论支撑。随后，围绕Na⁺与碳酸酯溶剂(以EC为代表)配位体系，作者定义并计算去溶剂化能量(图4c)，并比较不同掺氮环境下Na⁺去溶剂化所需能量(图4d)。结果显示，氧化态氮相较于其他常见氮物种能够显著降低去溶剂化能量需求，从而更有利于Na⁺在界面完成脱溶剂化并进入储存位点。进一步的逐步去溶剂化计算(图4e)揭示：在氧化态氮位点上，Na⁺从多分子溶剂配位逐步剥离的过程中，关键步能垒被整体下调，意味着界面反应更易发生、动力学限制更弱。电荷密度差分图(图4f)则从电子结构角度给出佐证：Na⁺—溶剂—氧化态氮相互作用下出现更显著的电荷重分布，说明该位点具备更强的界面调控能力，有助于促进去溶剂化与电荷转移过程。由此，图4从热力学路径、能量学比较与电荷重分布三个层面，明确了氧化态氮在提升平台区动力学中的“关键功能位点”作用。

图4. 储钠动力学提升的理论模拟分析。

V 器件级验证：钠基双离子电池实现高电压、高倍率与超长循环稳定性

如图5所示，将改性碳负极(MEC3)与膨胀石墨(EG)正极组装为钠基双离子电池(SDIB)，从器件层面验证其结构设计对高倍率运行的支撑能力。电池工作机理如图5a所示：充电过程中Na⁺在负极侧嵌入/存储，阴离子在石墨正极侧可逆嵌入，实现双载流子协同参与。对应的恒流充放电曲线(图5b)显示该器件具有稳定的高电压输出平台(约4.05 V的中值电压)，体现其实际可用的能量输出特征。进一步的倍率测试(图5c–d)表明，基于MEC3的全电池在1–20 C倍率范围内保持良好容量响应，并显著优于对照的MEC0||EG体系，说明MEC3负极在高倍率下更能匹配正极快速的阴离子嵌入动力学，从而减小器件极化与容量衰减；与已报道典型SDIB的倍率表现对比(图5e)，其高倍率性能处于领先水平。更重要的是，在10 C高倍率下，该电池展现出超长循环稳定性(图5f)：循环10,000次后仍保持80.6%容量；相应的关键圈数充放电曲线(图5g)形貌基本一致，表明长周期高倍率运行下反应可逆性与电压输出稳定性良好。 “离子介导的碳微域精准调控”不仅提升材料层面的平台容量与动力学，也能够在器件层面转化为可持续的高功率输出能力。

图5. MEC3||EG 钠基双离子电池电化学性能。

唐永炳

本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院 研究员

▍主要研究领域

新型储能材料及器件。

▍主要研究成果

中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所党支部书记，研究员，博士生导师，碳中和技术研究所副所长、先进储能技术研究中心主任，广东省工程中心主任，深圳市工程实验室主任。获得国家高层次人才计划，广东省创新领军人才、广东省电池行业协会首席科学家&副理事长、全球前2%顶尖科学家(年度及终身)、英国皇家化学学会会士、爱思唯尔中国高被引学者(化学)、科睿唯安全球高被引科学家(材料)等。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院、广东省重点研发等科研项目25余项。基于新型储能材料及器件研究工作，在Nat. Chem., Nat. Sustain., Natl. Sci. Rev., Nat. Comm., Adv. Mater., Angew. Chem.等期刊上发表SCI论文270余篇，H指数84，他引>21000次，62篇入选ESI高被引论文，22篇热点论文。获得授权发明专利249余项，美欧日韩专利12项，70项电池相关专利实现转化或许可。先后获得深圳市自然科学一等奖(第一完成人)、广东省自然科学一等奖(第一完成人)、深圳市专利奖(第一发明人)、中国专利奖银奖(第一发明人)等。

▍Email：tangyb@siat.ac.cn

张帆

本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院 研究员

▍主要研究领域

新型储能材料及储能器件研究。

▍主要研究成果

中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所储能中心，研究员，博士生导师，深圳市孔雀计划人才、香江学者、广东省青年拔尖人才、2021全球前2%顶尖科学家。2009年本科毕业于天津大学，2014年博士毕业于南开大学，导师为陈永胜院士。2014年7月加入中国科学院深圳先进技术研究院唐永炳研究员团队工作至今，主要从事新型储能材料及储能器件研究，包括碳基负极材料、合金化负极材料，以及双离子电池、钠离子电池、宽温域电池等。已发表SCI论文70余篇，以第一作者或通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Nano-Micro Lett., Matter, Adv. Sci.等高水平学术期刊上发表论文30余篇，引用>12000次。申请专利50余项，已获授权专利28项。

▍Email：fan.zhang1@siat.ac.cn

潘庆广

本文通讯作者

中国科学院深圳先进技术研究院 副研究员

▍主要研究领域

新型储能电池材料及器件。

▍主要研究成果

中国科学院深圳先进技术研究院碳中和所储能中心，副研究员，博士生导师，深圳市高层次专业人才。主要从事新型储能电池材料及器件工作。相关工作以第一/通讯作者发表在Nano-Micro Lett. Angew. Chem.，Adv. Mater.，Matter，等化学及材料领域知名期刊，其中6篇ESI高被引论文。申请30余项专利，授权6项。撰写英文专著2章节。担任Nano-Micro Lett. Exploration, Rare Metals等期刊青年编委/学术顾问。

▍Email：qg.pan@siat.ac.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部