缺陷诱导刻蚀煤沥青制备高能钠离子电容器储能碳材料

近日，公司贾殿赠教授、王省超教授、刘岸杰副研究员等，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表研究论文，题为：“Defect-Guided Etching of Coal Tar Pitch Toward Hierarchical Porous Carbon Cathodes for High-Energy Sodium-Ion Capacitors”（缺陷引导蚀刻煤焦油沥青构建分级多孔碳正极用于高能钠离子电容器）的研究论文。

新疆煤炭资源丰富、储量超2.19万亿吨。当地低阶煤经气化、热解后产生的煤焦油中富含中温煤沥青，年产量可观。煤沥青具有含碳量高、价格低廉等特点，但长期以来主要被用作燃料或低端黏结剂，高附加值利用途径有限。与此同时，钠离子电容器（Sodium-Ion Capacitors, SICs）兼具电池的高能量密度与超级电容器的高功率密度，被视为大规模储能的重要候选技术，但正极侧的阴离子存储容量不足、界面动力学迟缓以及高电压下正极/电解质稳定性差等问题。

针对以上问题，研究团队提出“缺陷引导刻蚀”策略，以新疆煤沥青为碳源，构建高性能分级多孔碳正极材料。该材料将酸辅助预氧化与原位氮掺杂相结合。其中，预氧化促进煤沥青分子交联，抑制其热解过程中的熔融流动；三聚氰胺衍生的氮掺杂则有助形成富含缺陷的碳结构，为KHCO₃选择性蚀刻提供优先活性位点，最终构建出三维互连的多孔结构。所得碳材料OCP-NK-2具有较高比表面积（1828 m² g^-1）、分级微/介孔结构以及丰富氮杂原子（12.6 at%），可提供大量活性位点和快速离子传输通道。机理研究表明，其电荷存储以表面控制的PF₆^-可逆吸附/脱附为主；定制的NaPF₆/DME电解液确保了致密、富NaF的无机CEI的形成，从而提升器件在高电压运行条件下的界面稳定性。

以该材料为正极、硬碳为负极组装钠离子混合电容器在574.6 W kg^-1下的能量密度达119.4 Wh kg^-1（基于正负极总活性质量），5 A g^-1循环7000次容量保持94.1%。该研究提出了“酸辅助预氧化交联-原位氮掺杂–缺陷引导碱刻蚀”协同调控策略，有效缓解了煤沥青热解过程中的熔流和结构塌陷问题，揭示了缺陷结构调控阴离子吸附及界面膜形成的作用机制，为新疆煤沥青的高值化利用以及高能量、高功率、长寿命钠离子电容器正极材料的开发提供了新的技术路径。

【研究亮点】

Ø 提出“酸辅助预氧化交联–原位氮掺杂–缺陷引导KHCO₃蚀刻”耦合策略，有效抑制煤沥青热解过程中熔流和结构塌陷。

Ø 制备的OCP-NK-2具有1828 m² g^-1的比表面积、12.6 at%的氮含量和蜂窝状分级孔结构，超微孔体积0.207 cm³ g^-1。

Ø 揭示表面控制PF₆^-吸附/脱附机制，明确N/O缺陷对PF₆^-的锚定作用，以及NaPF₆/DME电解液形成薄而致密富NaF无机CEI的稳定机制。

Ø 半电池比容量达121.7 mAh g^-1，10 A g^-1循环6000次容量保持率为90%；全电池在574.6 W kg^-1功率下实现119.4 Wh kg^-1的能量密度，在5 A g^-1循环7000次保持94.1%的容量。

论文第一作者为李道冰、刘虹（共同第一作者），通讯作者为贾殿赠教授、王省超教授和刘岸杰副研究员，通讯单位为yl8cc永利线路检测中心。

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.78219