新加坡国立大学/三达膜/厦门大学联合发文报道：钠离子电池负极材料研发领域的成果

　　继2026年6月22日研发前沿系列（Ⅰ）发布了关于钠离子电池正极材料的研究进展、7月19日研发前沿系列（Ⅱ）报道了钠离子电池正极材料的另一研究新进展之后，本期研发前沿系列（Ⅲ）报道新加坡国立大学、三达膜科技（厦门）有限公司、厦门大学等单位组成的联合研究团队在国际学术期刊《Carbon Trends》上以《Enhanced storage performance of a low-cost hard carbon derived from biomass》（低成本生物质基硬碳储能性能的提升）为题发表的生物质基硬碳负极材料及储钠机制研究方面的研究成果。

　　图1 论文发表于《Carbon Trends》（2024），题为“Enhanced storage performance of a low-cost hard carbon derived from biomass”。

　　该研究团队以甘蔗渣和玉米废弃物为原料制备硬碳材料，并与商业硬碳进行了系统对比。其中，甘蔗渣衍生硬碳（DB-1400）表现出优异的储钠容量和倍率性能：在 C/10 倍率下，可逆比容量达到 307 mAh/g；即使倍率提高至 3C，仍可保持约 234 mAh/g 的放电比容量，展现出良好的快速充放电潜力。

　　这一成果把常见农业废弃物与新型储能材料连接起来，为农业副产物高值化利用以及低成本、高性能钠离子电池负极材料开发提供了新的研究思路。

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　　钠离子电池：锂电之外的新选择

　　锂离子电池虽已成熟，但锂资源有限、价格波动大，难以满足大规模储能的长期需求。钠离子电池因钠资源丰富、工作原理与锂电池相似，被视为理想的替代方案。不过，钠离子比锂离子“个头”更大，难以像锂离子那样顺利嵌入传统石墨层间。于是，结构无序、含有孔隙的非石墨化碳材料——硬碳，成为钠离子电池负极的重要选择。

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　　农田废弃物也能“变身”高性能材料

　　硬碳的原料来源广泛，既可以是蔗糖、纤维素等化工原料，也可以是生物质废弃物，如甘蔗渣、玉米废弃物、果壳等。这些原料成本低、来源广，经高温碳化后可形成适合储钠的无序碳结构和孔结构，适合进一步探索规模化应用。

　　来自三达膜、新加坡国立大学和厦门大学的联合团队选择了两类典型农业废弃物——甘蔗渣和玉米废弃物（以玉米芯废弃物为代表），通过高温碳化工艺制备硬碳材料，并进一步比较不同原料带来的结构与性能差异。

　　图 | 生物质原料碳化前后对比：甘蔗渣（a，b）与玉米废弃物（c，d）在1400°C 退火前后的形貌变化。

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　　性能对比：甘蔗渣硬碳“装得多、跑得快”

　　研究团队将制备得到的两种硬碳材料（DB-1400、DC-1400）与商业硬碳样品（Type C）进行了系统对比：

　　· DB-1400（甘蔗渣衍生硬碳）：C/10 倍率下可逆容量达 307 mAh/g，在 3C 高倍率下仍保持约 234 mAh/g；

　　· DC-1400（玉米废弃物衍生硬碳）：可逆容量约为 252 mAh/g；

　　· 商业硬碳样品（Type C）：可逆容量约为 275 mAh/g。

　　更重要的是，DB-1400 不仅总容量高，其平台容量（plateau capacity）也明显优于其他样品。通俗地说，电压曲线上的“平台”越充分，意味着材料在低电压区贡献的储钠能力越强；对全电池而言，这通常更有利于提升能量密度。

　　图 | DB-1400 的倍率与循环性能：不同充放电倍率下保持较高容量，C/2 循环 100 次后容量保持率为 93%；平台容量对比显示其低电压储钠贡献更突出。

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　　结构解密：为什么甘蔗渣硬碳更优秀？

　　研究团队通过 XRD、Raman、BET、SAXS、SANS 等多种表征手段深入分析材料结构，试图回答一个关键问题：为什么同样来自农业废弃物，甘蔗渣硬碳更“能装钠”？

　　· 更高比表面积：DB-1400 的 BET 比表面积为 74.43 m /g，明显高于 DC-1400（1.50 m /g）和商业硬碳样品（1.90 m /g），更有利于电解液浸润；

　　· 更开放的介孔结构：SAXS/SANS 结果表明，DB-1400 的石墨化纳米域之间存在更多空隙，为钠离子提供了更多低电压储存空间；

　　· 更适合的碳片层聚集方式：相关石墨化纳米域与纳米片团聚结构，使材料在“储得下”和“传得快”之间取得更好平衡；

　　· 更清晰的储钠线索：研究认为，DB-1400 的高平台容量与其特征形貌、纳米片尺寸分布及团聚方式密切相关。

　　这些结构特征共同促成了 DB-1400 的高平台容量和优异倍率性能。

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　　循环稳定，实用性可期

　　在长期循环测试中，DB-1400 在 C/2 倍率下循环 100 次后容量保持率达 93%，平均库仑效率高达 99%。这说明该材料不仅“能装”，还具备较好的循环稳定性和进一步应用潜力。

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　　结语：农田废料，电池新星

　　这项研究展示了甘蔗渣、玉米废弃物等农业副产物在能源材料领域的再利用价值，也为低成本、高性能钠离子电池负极材料开发提供了新思路。

　　从农田废料到电池负极，生物质硬碳让“绿色来源”和“绿色储能”之间多了一条可探索的路径。未来，随着材料一致性、规模化制备和全电池验证进一步推进，这类低成本硬碳有望在大规模储能场景中发挥更大作用。

　　Carbon Trends

　　论文信息

　　论文标题:Enhanced storage performance of a low-cost hard carbon derived from biomass

　　作者:Chen Wang、Debasis Sen、Vinod K. Aswal、Weiguang Lan、Palani Balaya

　　期刊:Carbon Trends，Volume 17（2024），Article 100415

　　DOI:10.1016/j.cartre.2024.100415

　　第一作者：Chen Wang（三达膜科技（厦门）有限公司、新加坡国立大学）

　　指导老师：蓝伟光（三达膜科技（厦门）有限公司、厦门大学）

　　通讯作者：Palani Balaya（新加坡国立大学）

　　资助信息：本研究获新加坡国家研究基金会能源项目与三达膜科技（厦门）有限公司支持。

　　合作信息：本研究还得到印度巴巴原子研究中心、霍米·巴巴国家研究院等单位科研人员的合作支持。