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硬碳通常是指不可石墨化的碳，即使在高溫下也不會轉變為晶體結構。盡管硬碳被認為是鈉離子電池（NIBs）最有前途的負極材料，但其較低的初始庫侖效率（ICE）仍阻礙了其實際應用。

在此，中山大學劉勇教授等人首次報道了一種外延生長方法，以棉花為前驅體，石墨為晶體模板，在緊密接觸條件下煅燒，生長出高度有序的具有大面積類石墨晶體的硬碳（HC-GLC）。

作者進行廣泛的材料表征以鑒定類石墨晶體的結構，確定了其具有空間群為P63/mmc（194）的六方晶系類石墨晶體結構。有趣的是，其晶胞參數(a=b=3.528 ?，c=9.6 ?，α=β=90°，γ=120°)和與石墨相相比增大了1.428倍的 (002) 晶面間距（4.8 ?），打破了硬碳作為無定形碳的傳統觀念。

圖1. HC-GLC電極的電化學性能

此外，HC-GLC中較大的層間距、完全平行的堆積碳層有利于Na離子的可逆嵌入/脫嵌。作者研究了其儲鈉特性，它具有95% 的極高ICE和343 mAh g^-1的大可逆容量，達到了與鋰離子電池中使用的商業石墨相同的水平。

通過原位拉曼光譜深入研究了HC-GLC的儲鈉機制，結果表明，在放電和充電過程中G帶的峰強度幾乎保持不變，這與之前報道的結構無序的硬碳明顯不同，揭示了HC-GLC電極中高度可逆的嵌入/脫嵌。

這種類石墨晶體打破了傳統的硬碳概念，而石墨模板誘導外延生長機制可能為獲得新型結晶碳同素異形體提供新途徑。

圖2. HC-GLC電極中Na存儲機制的示意圖

Intergrowth of Graphite-Like Crystals in Hard Carbon for Highly Reversible Na-Ion Storage, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202106980

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中大劉勇教授AFM: 打破傳統！用于高可逆儲鈉的含共生類石墨晶體的硬碳負極

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