钠离子电池负极使用硬碳而非石墨的原因

我们知道，现在商业化的锂离子电池，负极材料还是以石墨为主。然而钠离子电池使用硬碳（Hard Carbon）而非石墨（Graphite）作为负极，大家知道这是什么原因吗？

根本原因在于钠离子本身的性质与石墨的结构不匹配。我们来解释一下为什么选择硬碳。

1.核心原因：热力学不适配——离子尺寸与层间间距

这是最根本的物理化学原因。

锂离子 vs. 石墨： 锂离子半径较小（~0.76 Å），可以相对轻松地可逆地嵌入和脱出石墨的层状结构。石墨的层间距（d-spacing）约为 0.335 nm，刚好能容纳锂离子形成稳定的 LiC₆ 插层化合物，提供约 372 mAh/g 的理论容量。

钠离子 vs. 石墨： 钠离子半径较大（~1.02 Å），比锂离子大了约30%。当它试图嵌入石墨狭窄的层间时，会遇到巨大阻力：

a. 难以嵌入： 大的钠离子很难插入石墨规整的层状结构中。

b. 导致结构破坏： 即使强行嵌入，也会引起石墨结构的剧烈膨胀和破坏，导致负极粉化，电池容量迅速衰减。

c. 热力学不稳定： 钠与石墨形成的插层化合物（如 NaC₆₄）在热力学上非常不稳定，这意味着反应难以可逆进行，容量极低（通常 < 35 mAh/g），几乎没有实用价值。

硬碳，又称不可石墨化碳，其在高温下也无法形成石墨的有序层状结构。正是这种“无序”和“缺陷”成为了容纳钠离子的优势。

硬碳的微观结构具有以下特点，完美适配钠离子：

a. 更大的层间距： 硬碳的碳层间距通常大于 0.38 nm，甚至可达 0.43 nm。这个宽敞的空间足以让大的钠离子自由、快速且可逆地嵌入和脱出，而不会引起巨大的体积变化。

b. 丰富的纳米孔洞和缺陷： 这些孔洞可以作为钠离子的“仓库”，提供额外的储钠位点。钠离子不仅可以嵌入碳层间，还可以吸附在孔洞和缺陷表面。

c. 弯曲的碳层： 不像石墨那样平整，硬碳的碳层是随机、弯曲和交联的，这创造了更多的扩散通道和活性位点。

基于上述结构，硬碳可以通过吸附-填充机制储存钠离子，提供高达 300-350 mAh/g 的可逆容量，虽然略低于石墨对锂的容量，但对钠离子来说已是极佳的选择。

第一：钠的储量高，钠比锂便宜太多了；

第二：钠离子电池的负极更便宜，石墨虽然成熟，但其制备需要高温石墨化（~3000°C），能耗极高。而硬碳的烧结温度较低（通常1000-1500°C），且前驱体来源非常丰富且廉价，如生物质（如甘蔗渣、椰壳、淀粉）、煤基沥青、树脂等，这进一步降低了钠离子电池的整体成本。

这几年碳酸锂的价格降到了极致，导致钠电池的性价比不高了，但碳酸锂的价格会涨上去的，大家又会看到钠电池的优点。虽然它的能量密度低了些，但能把价格打下来，在储能，电动自行车上面可以有较好的应用。