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第一作者（或共同第一作者）：周家旺
通讯作者（或共同通讯作者）：董永腾、岳昕阳、梁正
通讯单位：上海交通大学
论文DOI：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03872
02【全文速览】
随着电动汽车和规模储能的快速发展，开发兼具高能量密度与高功率密度的锂离子电池负极材料成为研究热点。本文提出一种绿色可持续策略，将中药渣（莲节废料）通过高温碳化转化为具有“硬碳-石墨”异质结构的碳负极材料（NRNC）。该材料结合了硬碳的高离子扩散能力和石墨的高导电性，展现出优异的快充性能和循环稳定性：在6 C倍率下容量保持率达75.73%，循环1000次后仍保持75.26%的容量。本研究为废弃生物质资源的高值化利用和高性能储能材料的设计提供了新思路。
03【背景介绍】
传统石墨负极因其层间距有限、理论容量低，难以满足快充需求，且在快充过程中易引发锂枝晶生长，带来安全隐患。硬碳虽具有更大的层间距和丰富的孔隙结构，有利于锂离子快速嵌入，但其本征电导率低、初始库仑效率差等问题限制了实际应用。近年来，生物质碳材料因其来源广泛、结构可调等优势受到关注，然而如何在其内部构建有序导电网络以实现容量与导电性的协同提升，仍是当前研究的难点。
04【本文亮点】
- 废物高值化：利用中药渣（藕节炭）作为碳源，实现废弃资源的绿色转化。
- 异质结构设计：利用原料中天然碱/碱土金属（K、Ca）催化形成纳米石墨微区，构建“硬碳-石墨”海岛结构。
- 优异电化学性能：兼具高容量（391 mAh g-1）、高倍率（6 C下保持75.73%容量）和长循环寿命（1000次循环容量保持75.26%）。
- 机制深入揭示：通过多种表征手段（SEM、XRD、Raman、GITT、TOF-SIMS等）系统阐明锂存储与传输机制。
05【图文解析】
图1、（A）NRNC合成示意图；（B）NRNC-b的SEM图像；（C）EDS元素分布图；（D-F）NRNC-a/b/c的HRTEM图像，黄框标示石墨微区。
中药渣经高温碳化后，其内在的K、Ca等金属元素在碳基质中催化形成5–50 nm的石墨微区，嵌入硬碳框架中，形成独特的异质结构。SEM显示材料具有丰富的多级孔隙（图1B），HRTEM进一步证实了石墨微区的存在（图1D–F）。
图2、（A）Raman光谱；（B）ID/IG比值；（C）XRD图谱；（D）FTIR光谱。
Raman和XRD结果均显示NRNC兼具硬碳与石墨的特征峰，ID/IG比值介于1.0–1.1之间，表明其具有适中的石墨化程度（图2A–C）。FTIR显示随着碳化温度升高，含氧官能团逐渐减少，材料趋于稳定（图2D）。
图3、（A）CV曲线；（B–C）EIS图谱；（D）锂离子扩散系数；（E）接触角测试；（F）倍率性能；(G) NRNC-b在0.2–0.5 mV s-1的电容和扩散控制贡献。(H) 不同扫描速率下的容量贡献。
NRNC-b表现出更低的电荷转移阻抗和更高的锂离子扩散系数（图3B–D），其优异的浸润性（接触角28.6°）有利于电解液快速渗透（图3E）。在倍率测试中，NRNC-b在6 C下仍能提供209 mAh g-1的可逆容量（图3F），显著优于商业硬碳和石墨。
图4、（A–C）循环前电极SEM图；（D–F）循环500次后电极SEM图；（G–I）TOF-SIMS锂分布图。
循环后NRNC-b结构完整，而硬碳出现裂纹、石墨发生层剥离（图4D–F）。TOF-SIMS显示NRNC中锂分布均匀，有效避免了局部锂积累（图4G–I）。
图5、（A）全电池首圈电压曲线；（B）锂存储机制示意图；（C）长循环性能；（D）1000次循环容量保持率；（E）倍率性能；（F）NRNC-b电压曲线。
在全电池测试中，NRNC-b//LFP体系展现出391 mAh g-1的高可逆容量和优异的快充稳定性（图5A–F），1000次循环后容量保持率达75.26%，远高于硬碳（55.17%）和石墨（27.87%）。
06【总结与展望】
本研究通过“生物质引导限域重组”策略，成功将中药渣转化为具有“硬碳-石墨”异质结构的碳负极材料，实现了废弃物资源化与高性能储能材料的协同设计。该材料兼具硬碳的快速离子传输路径和石墨的高导电网络，展现出优异的快充性能和循环稳定性。该工作为绿色、低成本、高性能锂离子电池负极材料的开发提供了新途径，推动了“废料向绿能”的转化。
