针对钠离子电池硬碳负极“高容量、高首效、高倍率”难以兼得的痛点，中国地质大学王欢文教授团队在《Advanced Functional Materials》发表了题为Plasma-Tailored Vertical Graphene Sheath Boosts Sodium-Storage Kinetics in Starch-Derived Hard Carbon Anodes的研究论文，提出了一种“分子模板+等离子体增强化学气相沉积（PECVD）”的协同双工程策略。该策略不仅利用锌盐造孔构建了丰富的闭孔结构，还在碳纤维表面原位生长了垂直石墨烯（VG）“外衣”。最终，组装的淀粉基“三合一”全电池实现了 325 Wh kg⁻1 的超高能量密度和 1794 W kg⁻1 的高功率输出（基于活性物质），为下一代钠离子电池的实用化提供了全新思路。
钠离子电池因钠资源丰富、成本低廉，在大规模储能领域极具应用前景。硬碳（HC）凭借其无序乱层结构、较大的层间距及丰富的闭孔，被视为最具潜力的钠离子电池负极材料。然而，硬碳负极长期面临一个“三难困境”：难以同时实现高可逆容量、高首次库伦效率（ICE）和优异的倍率性能。其根源在于硬碳微观结构本征无序且电子传输能力不足。现有研究通过Zn(AC)2、KOH等活化剂造孔可有效提升闭孔含量与平台容量，但这些改性策略往往进一步恶化本就较差的倍率性能。因此，如何设计一种既能提供丰富闭孔以保障高容量，又能构建高效电子/离子传输通道以提升倍率性能的硬碳结构，成为当前亟待突破的研究空白。
针对上述问题，作者提出了一种“分子模板造孔 + 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长垂直石墨烯（VG）”的协同双工程策略。具体研究内容如下：首先，以淀粉为前驱体，引入ZnAc2作为牺牲模板，通过静电纺丝结合高温碳化制备富含闭孔的硬碳纤维（MPHC）；随后，利用PECVD在纤维表面原位生长垂直石墨烯层，构建三维导电网络，得到MPHC@VG复合负极。系统研究了ZnAc2添加量及VG生长对材料微观结构、闭孔演变、导电性及储钠性能的影响。同时，利用SAXS、真密度测试和GITT等手段深入解析闭孔数量与平台容量的构效关系及Na⁺扩散动力学。最后，利用淀粉基纤维膜的柔性，构建了“三合一”全电池器件，验证其实际应用潜力。
图1. 制备流程与宏观形貌
图1展示了从淀粉前驱体到MPHC@VG的完整制备路线。图1a揭示了静电纺丝过程中的分子交联机制：淀粉羟基与PVP发生缩合形成酯基，锌离子与氧原子配位，为后续造孔奠定基础。图1b示意了从纺丝纤维→预碳化→PECVD生长VG→高温碳化的四步演变。图1c-e的实物照片直观呈现了可大规模制备的纺丝薄膜以及柔性硬碳/垂直石墨烯自支撑膜的过程，证明其兼具优异的机械柔韧性与可规模化制备潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78426
人物简介
王欢文，中国地质大学教授，博士生导师，国家级青年人才，湖北省楚天学者，先后就读于西北师范大学、同济大学、新加坡南洋理工大学(导师：范红金、颜清宇)，2016年9月至今就职于中国地质大学（武汉），主要从事新能源电池的研究工作，目前已在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater., Adv. Energy. Mater., Nano Energy, Energy Storage Mater., JPCL, Small等期刊发表SCI论文100余篇，截至2024年3月，被引用11725次，h-index为57。
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