近日，吉林大学材料科学与工程学院蒋青、杨春成教授团队在低温钠离子电池负极材料研究方面取得重要进展，成功构建了一种原子级分散Zn掺杂硬碳材料，实现了钠离子电池在极端条件下的高效储能。相关研究成果以“Triple-regulation engineered by atomic-level Zn on hard carbon enables robust sodium-ion batteries at −40 °C”为题，于2026年5月22日在线发表于材料科学领域顶级期刊《Materials Today》。
硬碳材料因原料丰富、成本低廉且层间距较大，被视为当前最具应用前景的负极材料之一。然而，硬碳仍存在Na⁺扩散动力学迟缓及长期循环稳定性不足等问题。在快充和超低温等严苛工况下，电极极化明显加剧，不仅导致容量与能量密度快速衰减，还易引发钠枝晶生长，带来安全隐患，严重制约钠离子电池（SIBs）在极端环境下的续航能力与功率输出。传统研究主要依靠单一策略，如扩大层间距或引入杂原子掺杂，难以兼顾材料结构优化、离子传输与界面稳定性等多个关键因素。因此，实现硬碳体相与界面的协同调控成为提升低温性能的核心科学问题。
针对上述挑战，本研究提出了一种将高温热冲击与金属盐催化相结合的策略，快速合成原子级分散Zn掺杂硬碳材料（ZnBHC）。热冲击过程不仅显著提高了制备效率，还驱动硬碳微观结构发生独特演化。利用挥发性金属“先催化后逸出”机制，实现了微观结构、离子传输和界面化学的三重协同调控。在高温热解阶段，Zn原子通过催化石墨化和空间限域效应，在扩大层间距的同时优化闭孔结构。结合高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF‑STEM）与X射线吸收精细结构（XAFS）分析，证实ZnBHC中形成了独特的Zn-N5配位环境。
原位拉曼光谱与酚酞显色实验揭示了ZnBHC的“吸附-嵌入-填孔”三步储钠行为。动力学分析及密度泛函理论（DFT）计算显示，原子级Zn不仅增强了Na+捕获能力，还显著降低了扩散能垒，从而加速Na+高效传输。结合X射线光电子能谱（XPS）深度刻蚀分析、DFT与分子动力学（MD）模拟，进一步阐明了界面化学增强机制：Zn-N5活性位点促进形成富无机组分的稳定固态电解质界面（SEI）膜，在确保高效离子传输的同时有效隔绝电子通道，防止电解液过度消耗。
得益于上述协同设计，ZnBHC负极展现出优异的倍率性能和低温循环稳定性，本研究阐明了金属原子改性在提升硬碳性能方面的有效性，为推进低温SIBs的发展提供了新的见解。
吉林大学博士生白捷、夏永进为论文第一作者，吉林大学杨春成和蒋青教授为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和吉林省科技发展计划的资助。
论文详情：J. Bai#, Y. J. Xia#, Y. Chen, X. Wang, Y. Wang, C. C. Yang* and Q. Jiang*. Triple-regulation engineered by atomic-level Zn on hard carbon enables robust sodium-ion batteries at −40 °C. Mater. Today 2026, 98, 103392. (# Equal contribution)
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103392
