软碳因其灵活的结构和多样的特性在钠离子电池负极领域受到广泛关注。它不仅具备出色的柔韧性和优异的刚性结构，可以有效缓解钠离子插层引起的体积膨胀问题，而且其调节的晶体结构和晶格间距有助于确保钠离子快速扩散。然而，软碳内部区域的离子迁移能垒较高，限制了其倍率性能。研究表明，通过构建多孔结构并在碳骨架中引入杂原子，可以显著提升钠离子的扩散动力学。但传统的制备多孔结构的方法通常需要化学活化或使用硬模板，其复杂的步骤和严格的合成条件容易带来一些经济和环境问题。此外，在引入杂原子时，主要采用富含杂原子的原料（例如尿素和三苯基膦）对石油副产品（例如沥青和石油焦）进行热处理，或者直接热解含有杂原子基团的热塑性聚合物，这两种方法均难以有效抑制芳香烃分子的聚集，导致构建的软碳材料层间距较小、杂原子含量不足，从而影响钠离子的存储速率。鉴于上述问题，迫切需要开发新的合成策略，构筑含有丰富孔隙结构和高杂原子掺杂量的软碳材料，以实现钠离子的快速扩散。

近日，西北工业大学黄维院士团队艾伟教授课题组采用了一种分子设计策略，制备了氮磷共掺杂的介孔软碳（NPSC）。该策略的关键在于多聚磷酸和对苯二胺之间的化学交联反应及随后的热解过程，即通过原位自活化（热解诱导磷酸分子原位刻蚀碳原子），实现了缺陷和孔隙的均匀分布。得益于扩大的层间距、丰富的活性位点和均一的介孔结构，该材料在10 A g⁻¹的大电流密度下具有215 mAh g⁻¹的高可逆比容量。将其与商用磷酸钒钠正极构筑的钠离子全电池在1 A g⁻¹的电流密度下能稳定循环100圈，并且获得高达9.2 kW kg⁻¹的功率密度。这一结果充分体现了分子设计策略在制备高倍率储钠负极方面的潜在应用前景。相关研究成果以“Fast-Charging Sodium-Ion Batteries Enabled by Molecular-Level Designed Nitrogen and Phosphorus Codoped Mesoporous Soft Carbon”为题发表在国际知名期刊Research上。论文第一作者为柔性电子研究院博士生刘磊、杜祝祝，共同通讯作者为西北工业大学艾伟教授、福建师范大学杜洪方副教授和广东工业大学孙志鹏教授。

图1 （a）NPSC的合成示意图、（b）倍率性能、（c）全电池拉贡图、（d）全电池在大电流密度下的循环性能

上述工作得到了国家重点研发计划，国家自然科学基金等项目经费的支持。

文章链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0209

(文字/刘磊 审核/王学文）