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Edge-Affinity-Directed Selective Pore-Mouth Sealing in Coal-Derived Hard Carbon for Stable and High-Capacity Sodium Storage

聚丙烯腈 法拉第效率 材料科学 电解质 多孔性 阳极 化学工程 储能 高原(数学) 渗透(战争) 碳纤维 电极 纳米技术 能量密度 限制 电化学 能量转换 多孔介质 复合材料 体积热力学 原位 钠 超级电容器
作者
Gaoxu Han,Youheng Yao,Yuxin Shi,Wei Lv,Ruitao Lv,Wanci Shen,Feiyu Kang,Deping Xu,Zheng‐Hong Huang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.6c14887
摘要

Abstract Sodium-ion batteries are attractive for large-scale energy storage, but the limited capacity of hard-carbon anodes constrains practical energy density. Increasing porosity can boost capacity, but typically enlarges the electrolyte-accessible surface, lowers the initial Coulombic efficiency (ICE) and the low-voltage plateau capacity, especially in low-cost, coal-derived carbons that require aggressive activation. Here, we develop a selective pore-mouth sealing strategy that exploits the strong affinity between oxygen-rich edge sites at pore mouths and a polyacrylonitrile (PAN) precursor to build a high density of closed pores while preserving the internal pore network. PAN preferentially accumulates at pore entrances and undergoes in situ cyclization–carbonization during heat treatment, enabling directional pore-mouth contraction and sealing (pore mouth < 0.35 nm). By tuning the PAN content, the volume and fraction of closed pores are precisely controlled, limiting electrolyte penetration and substantially enhancing low-voltage plateau Na storage. The optimized electrode delivers 338.4 mAh g–1 at 0.05 A g–1 with a plateau capacity of 233 mAh g–1 and an ICE increased by ∼42% compared with activated coal-based hard carbon, outperforming most reported coal-derived hard carbons. Even at 5 A g–1, it retains 102.4 mAh g–1. This pore-mouth engineering offers a practical route to coal-derived hard-carbon anodes with controlled closed-porosity for sodium-ion batteries.
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