文章链接：https://doi.org/10.1021/acsaem.6c01663
木质纤维素生物质衍生的硬碳因其低成本和可再生性，是钠离子电池极具前景的负极候选材料。然而，其实际应用受到低电压平台容量不足的制约，而这与闭孔结构密切相关。本研究报道了一种基于碱性亚硫酸盐预处理的绿色、可扩展的组分工程策略。该预处理是一种工业上成熟的制浆工艺，可将废弃木材转化为富含闭孔的硬碳负极。通过选择性断裂木质素中的β-O-4键，该预处理提高了相对纤维素含量，并从根本上改变了碳化路径，形成了高度无序的乱层结构。优化后的硬碳（HHC-20）展现出翻倍的闭孔体积（从0.073增至0.178 cm³ g⁻¹）和扩大层间距（0.385 nm）。因此，HHC-20在20 mA g⁻¹电流密度下表现出347 mAh g⁻¹的高可逆容量，其中低电压平台容量高达205 mAh g⁻¹，初始库仑效率达89.1%。原位光谱表征揭示了涉及表面吸附、层间嵌入和孔填充的序贯储钠机制。本工作为设计高性能钠离子电池硬碳负极提供了一条可持续且商业可行的途径。
总之，本工作提出了一种绿色、可扩展且高效的组分工程策略，通过工业上成熟的碱性亚硫酸盐预处理，将木质纤维素生物质转化为富含闭孔的硬碳负极。通过选择性断裂木质素中的β-O-4键，刚性的木质纤维素结构被有效破坏，从而富集了相对纤维素含量，这从根本上改变了高温热解过程中碳骨架的重排。这种合理的组分转变有效抑制了过度石墨化，并诱导形成了高度无序的乱层结构，其特征为扩大的层间距（0.385 nm）和翻倍的闭孔体积（0.178 cm³ g⁻¹）。因此，优化后的HHC-20负极展现出347 mAh g⁻¹的高可逆容量（包括205 mAh g⁻¹的平台容量）和89.1%的初始库仑效率（ICE）。这一优异的平台容量源于一种序贯储钠机制：表面吸附、层间嵌入和最终的孔填充。值得注意的是，HHC-20//NVP全电池展现出巨大的实际应用潜力，实现了300.7 mAh g⁻¹的容量和95.8%的ICE，即使在3 A g⁻¹的高电流密度下仍能保持234 mAh g⁻¹的容量。加之其对玉米秸秆和山毛榉木等多种前驱体的广泛适应性，这种绿色低成本的预处理路线不仅为钠离子电池高平台容量硬碳负极的结构设计提供了新思路，而且实现了废弃生物质的高值化利用，对可持续储能的发展和生物质循环经济的构建具有重要意义。