隨著可再生能源的快速發展，對大規模儲能技術的需求日益迫切。鈉離子電池因資源豐富、成本低廉，成為最具潛力的儲能技術之一。然而，鈉離子較大的質量和半徑導致其能量密度較低，對負極材料提出了嚴峻挑戰。

硬碳材料因其獨特的結構和優異的儲鈉性能，成為最具產業化前景的鈉離子電池負極材料。硬碳的結構無序復雜，由較有序的類石墨微區和各向同性的無定形碳區域組成“碳-碳復合材料”。這種結構通過擴大的層間距（0.36～0.40 nm）和豐富的孔結構為鈉離子的存儲和傳輸提供了理想場所。

硬碳的充放電曲線包含高電位斜坡區和低電位平臺區，但其儲鈉機制，特別是平臺區的存儲行為，仍存在爭議，這在一定程度上限制了鈉離子電池的實用化進程。

該綜述首先概述了目前鈉離子電池硬碳負極在儲鈉機理、微觀結構認知上的研究進展與關鍵挑戰，對硬碳微觀結構和儲鈉行為的構效關系進行淺析。隨后討論了硬碳普適性儲鈉機制的研究，并對孔與儲鈉容量的關系進行預測。最后對硬碳負極未來在鈉離子電池產業化進程中所面臨的機遇和挑戰進行了簡要的評述和探討。

微觀結構決定儲鈉行為。目前，高電位斜坡區的儲鈉行為已達到共識，普遍認為是鈉離子在材料表面和缺陷處的吸附及較大石墨層間（＞ 0.4 nm）的贗吸附。若存在表面雜原子，則會有雜原子官能團的氧化還原儲鈉反應。而低電位平臺區的儲鈉機制仍存在較大爭議，這種爭議源于硬碳結構的復雜性。該綜述對幾種主流微觀模型進行探討，指出孔隙是碳層高溫重構的動態產物，而非預先存在的靜態結構，同時表明硬碳中的層結構及孔隙結構可能相輔相生，這也顯示出硬碳結構的復雜性及相關性。儲鈉機制影響儲鈉性能。目前所提出的各類機制僅適用于與其結構相似的特定硬碳體系，缺乏能夠統一解釋不同結構硬碳儲鈉行為的普適性理論。曹余良教授團隊通過制備兩種結構差異顯著的硬碳材料，創新性地提出“吸附-嵌入/填充”混合儲鈉機制，闡明了鈉離子在硬碳中的存儲并非簡單的分步過程，而是多種行為相互交織、協同作用的復雜過程，為不同微觀結構的硬碳材料的儲鈉行為提供一個整體的認識，對指導高性能硬碳材料的設計具有重要意義。最終，電化學儲鈉性能的結果可反饋并指導微觀結構的優化，推動硬碳負極材料的理性設計與性能提升。

       總之，結構是機制的基礎，機制是性能的藍圖；性能驗證結構設計的優劣，并為結構的迭代優化指明方向。三者閉環聯動，構成了硬碳負極材料研發的核心循環。

 圖文摘要

LI Jin-ting, SAWUT Nurbiye, ZHAO Yi-chu, LIU Ping, WANG Yan-xia, CAO Yu-liang. Unraveling the relationship of "Microstructure-Mechanism-Performance" of Hard Carbon Anode Materials for Sodium-Ion Batteries[J]. New Carbon Materials, 2025, 40(4): 860-869.

李金婷, 努爾比耶·撒伍提, 趙一楚, 劉平, 王艷霞, 曹余良.鈉離子電池硬碳負極材料的“微觀結構-儲鈉機制-電化學性能”的構效關系淺析[J]. 新型炭材料（中英文），2025, 40(4): 860-869.

DOI: 10.1016/S1872-5805(25)61023-7