3月18日，中国科学技术大学傅尧教授、李闯研究员团队在《美国化学会志》（JACS）上发表题为“Covalent Quantum Bridging Enables Bicontinuous Electron–Ion Highways in Hard Carbon for Ultrafast Sodium Storage”的研究论文，报道了一项能源化学领域的突破性成果。该工作阐明了一种基于共价桥接策略构筑的电子-离子双连续传输碳材料结构模型。该结构实现了硬碳材料中电子与钠离子从类石墨畴至封闭孔隙的高效协同传输，为高性能钠离子电池提供了重要的设计新范式。

图1.电子-离子双连续传输示意图

钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池的最佳替代品，因其钠资源丰富、长循环寿命和耐低温等优势已经引起学术界和产业界的广泛关注。作为核心负极材料，硬碳电化学性能的优劣决定了SIBs在能源领域的发展前景和应用潜力。硬碳材料由随机堆叠的碳层及结构多样的类石墨畴组成，具有大的碳层间距和丰富的闭孔含量，被认为是钠离子电池的最佳负极候选。然而，硬碳材料内部的无序碳骨架，一方面使电子难以快速传导，另一方面也让钠离子的扩散路径曲折受阻，两者共同导致了动力学极化效应——通俗来说，就是电池在快充时“跟不上”反应节奏。因此，如何协同增强硬碳的电子传导能力与离子传输效率，实现高倍率下高效、稳定储钠，成为突破SIBs快充瓶颈、迈向实用化亟待解决的关键科学问题。

针对这一核心科学难题，傅尧教授团队以碳量子点（CQDs）与硬碳骨架为结构基础，综合扫描透射电子显微镜（STEM）、X射线吸收近边结构（XANES）、原位测试及理论计算等多尺度研究手段，成功构筑了高度石墨化纳米畴与硬碳基质通过共价键合的双连续传输结构，取得了一系列揭示电子-离子协同传输机制的原创性科学发现。

在本研究中，研究人员受自然界生物维管束中信号（电子）和养分（离子）高效协同传输现象启发，提出一种超分子桥接策略，通过在硬碳表面共价桥接CQDs，成功制备了具有电子-离子双连续超快传输特性的氮掺杂硬碳（NHC）。所形成的双连续传输网络（GNDs）均匀嵌入硬碳基质（图2），显著提升了电子电导与离子迁移效率，并通过化学键合增强了硬碳材料的结构稳定性。

图2.双连续硬碳桥接结构及分布

通过多尺度结构表征，研究团队系统揭示了NHC的微观构效关系。结构表征分析证实，NHC中形成了通过C-C共价键稳定桥接的功能化GNDs，同时材料整体保持高缺陷密度，从微观层面有力证实了所设计的双连续结构特征。该共价桥接策略成功实现双连续结构的构筑及跨尺度优化，为提升硬碳负极材料的电子-离子协同传输能力奠定了坚实的结构基础。

在材料结构优化的基础上，团队开展了钠离子电池性能测试。结果表明，GNDs的构筑协同提升了电池的首次库伦效率（ICE）、倍率性能和可逆比容量等电化学性能（图3）。其中，NHC实现了92%的高ICE及平台主导的高比容量（391.1mAh g⁻¹）。此外，在20 C的高倍率下仍然具有250.8 mAh g⁻¹的可逆比容，循环15000圈容量保持率高达83.5%。低温测试表明NHC在−20°C下的容量保持率仍表现出色。此外，研究团队利用椰壳粉等生物质前驱体进行拓展实验，进一步验证了该共价桥接策略在硬碳结构设计的普适性。

图3. 双连续硬碳电化学性能

该研究揭示了双连续硬碳在储钠过程中的离子传输机制及动力学行为，从理论和实验上证实了该结构对钠离子快速迁移和存储的重要作用，显著改善了钠离子电池的电子-离子传输效率、界面稳定性及反应动力学。

该工作综合运用原位与非原位表征手段研究了双连续硬碳储钠行为，阐明了NHC“缺陷/表面吸附-层内吸附转化/孔内填充”的储钠机制。该双连续结构实现了动力学性能与容量输出的高效统一，为制备高性能钠离子电池负极材料阐明了完整、科学的结构设计模型。

该工作阐明了一种基于共价桥接策略构筑的电子-离子双连续传输模型，实现了电子与离子从类石墨畴至闭孔的高效协同传输，制备出兼具高容量、高倍率快充能力、长循环寿命以及优异低温性能的硬碳负极材料，从根本上突破了钠离子电池充电慢、寿命短的核心瓶颈，为大规模储能和高端动力应用提供了兼具性能优势与实用潜力的解决方案。

论文第一作者为胥李志博士，通讯作者为傅尧教授、李闯研究员。该工作得到了国家自然科学基金、中央引导地方科技发展基金的资助，相关工作得到了中国科学技术大学工程物理科学仪器中心和中国科学技术大学超算中心的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21030

（化学与材料科学学院、科研部）