Nano-Space Confinement Drives Rational Closed Pore Design in Hard Carbons for High-Capacity and High-Rate Sodium Storage

合理设计 材料科学 成核 纳米技术 储能 插层(化学) 工作(物理) 动力学 化学工程 沉积(地质) 高能 阳极 微尺度化学 星团(航天器) 化学物理 Boosting(机器学习) 化学
作者
Run Ren,L Zhang,Jianhua Zhu,Yunfeng Chao,Junlin Guo,Yijun Cao,Xiaobo Ji,Xinwei Cui
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:18 (1)
标识
DOI:10.1007/s40820-026-02223-7
摘要

Hard carbons are emerging as the most viable anodes for the commercialization of Na-ion batteries. However, their performance limits are far from being disclosed because of ambiguous Na-storage mechanism. Here, we report that nano-space confinement regulates heterogeneous nucleation of quasi-metallic Na clusters in closed pores, uncovering a coupled “intercalation-pore filling” and stage-wise storage mechanism for high capacities. Theoretical studies reveal that the energy barrier for Na-cluster growth decreases as the nanocavity size decreases; however, it remains energetically unfavorable at potentials (V vs. Na/Na+) > 0. Interestingly, in the coupled storage, Na-ion intercalation in nanoconfined orifices triggers stepwise pre-nucleation, reducing energy barriers for spontaneous Na-cluster growth in progressively larger cavities at positive potentials, thus enabling Na-cluster deposition into previously unused closed pores. This understanding guides the rational design of stage-wise closed pores, resulting in superior performance of 500 mAh g−1 at 50 mA g−1 and 344 mAh g−1 at 2000 mA g−1. Mechanistic studies further identify a new stage, where confined nano-spaces at 0.4–0.6 nm facilitate pre-desolvation and enhance Na-ion transport kinetics for high-rate capabilities. This work identifies the origin governing Na-storage behavior in the closed pores of hard carbons, boosting their overall performance beyond prior expectations.
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