目前商業化的鋰離子電池功率密度不足會導致電動汽車的充電時間超過傳統內燃機汽車的加油時間，造成目前普遍存在的“充電焦慮”問題。負極材料，尤其是鋰離子電池中普遍使用的石墨負極，由于快充過程中容易發生析鋰現象，成為快速充電技術的主要障礙。

在此，中國科學院物理研究所胡勇勝、陸雅翔和荷蘭代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker等人報道了一類基于硬碳負極的快充型鈉離子電池，該安時級別的26700型圓柱電池能夠實現快速充放電，可在約9分鐘內充放電的條件下（6.5C/6.5C）實現3000次充放電循環（100%DOD）。

研究表明，該硬碳負極不僅具有斜坡段電壓存儲容量，而且在高面積容量下（約2.2 mAh/cm²），能夠在略高于金屬鈉析出電位的平臺段提供容量，且未觀察到金屬鈉的析出現象。

圖1. 硬碳存儲機制的定量化分析

總之，該工作通過深入的定量并行分析，對硬碳負極中鋰和鈉存儲行為的結構-性能關系進行了細致的探索。該工作展示了安時級硬碳負極基鈉離子圓柱電池的卓越快充性能和長循環壽命。通過交叉驗證和定量分析，作者揭示了硬碳負極快充鈉離子電池的起源，提出了一種統一的鋰和鈉存儲機制——吸附（斜坡）-填孔（平臺），以解決有關機理的爭議，并合理解釋了碳負極的優異動力學性能。

此外，利用納米尺度和介觀尺度模擬評估關鍵的熱力學和動力學特性，該工作解釋了鋰和鈉在平臺區之間觀察到的電位差，并將其歸因于鋰、鈉與硬碳之間的界面能差異。因此，該研究為理解硬碳負極中的鋰和鈉存儲行為提供了新的視角，并為進一步提高其性能提供了調整微觀結構的通用設計原則。

圖2. 納米楔形孔的動力學分析

Origin of fast charging in hard carbon anodes, Nature Energy 2024 DOI: 10.1038/s41560-023-01414-5