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硬碳 (HC) 材料因其大的層間距 (> 0.34 nm) 和低電位 (<0.3 V) 而表現出優異的鈉存儲性能，其不規則排列的石墨層能夠提供豐富的鈉儲存位點。因此，設計高性能HC材料并了解其鈉存儲機制具有重要意義。

在此，武漢理工大學麥立強教授、周亮教授等人通過精確調節樹脂納米纖維的碳化溫度構建了一系列具有可調層間距的多孔且堅固的硬碳納米纖維（HCNF）以了解HC中的鈉存儲方式。研究表明，隨著碳化溫度的升高，HCNFs逐漸從無序向有序的局部結構轉變，伴隨著短程石墨疇的產生和缺陷的減少。

此外，石墨疇的層間距隨著碳化溫度的升高而變窄。原位XRD和拉曼測量揭示了一種改進的吸附/插層填充鈉存儲機制。結合DFT計算，作者揭示了孔隙填充平臺容量與層間距之間的詳細關系。

圖1. HCNF-1200/1400/1600的儲鈉性能

結果表明，足夠的層間距 (>0.37 nm) 為Na⁺提供擴散通道從而到達孔以實現進一步填充。優化的HCNF-1400具有豐富的短程石墨疇和足夠的層間距 (0.37~0.40 nm) 用于Na⁺擴散，因此，其顯示出高可逆鈉存儲容量 (388 mAh g^-1@30 mA g^-1) 和良好的倍率性能 (167 mAh g^-1@500 mA g^-1）。

此外，作者還揭示了循環過程中的容量衰減機制，這可能是由于重復的Na⁺嵌入/提取引起的短程石墨疇的破壞。該研究不僅為硬碳材料的鈉儲存機制提供了新的見解，而且為高性能硬碳材料提供了合理的設計策略。

圖2. 不同層間距下Na⁺嵌入硬碳的DFT 計算

Regulating the Interlayer Spacings of Hard Carbon Nanofibers Enables Enhanced Pore Filling Sodium Storage, Small 2021. DOI: 10.1002/smll.202105303

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麥立強/周亮Small：調節硬碳納米纖維的層間距增強孔隙填充鈉存儲

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