硬碳（HC）作為鈉離子電池（SIBs）最商業化的負極材料之一，必須解決倍率性能與比容量或初始庫倫效率（ICE）之間的平衡，而對低溫下的快充性能下降（LT）的了解仍知之甚少。

在此，上海大學趙玉峰教授團隊報道了一種具有摻入鋅單原子（Zn-HC）的硬碳，以調節本體和表面結構。優化的Zn-HC具有擴展的石墨區域（d002 = 0.408nm）和高度發達的納米孔（直徑約0.8 nm），并減少了缺陷含量，這有利于快速的Na+存儲。

結果證實，Zn-N₄-C結構可以催化NaPF₆的快速分解，使其形成薄而無機物豐富的SEI和快速的界面Na⁺儲存動力學，同時在石墨區中引發局部電場（LEF），提供一個臨時的庫侖力來加速Na⁺儲存動力學，降低擴散能壘（0.60eV vs 1.10eV）。

獲得的HC材料展示了創紀錄的高可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1），速率能力（140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1），ICE（84%），低溫容量（443 mAh g^-1 @ -40 °C），超過了最新的文獻。所構建的全電池提供了323 Wh kg^-1的高能量密度和7.02 kW kg^-1的高功率密度（基于兩個電極的總活性質量）。

圖1. Zn-HC的形態結構表征和原子結構分析

總之，該工作通過一個典型的兩步法精心構建了DAFR衍生的硬碳微球與ZnN4配置的結合。合成的樣品表現出卓越的速率性能、可逆容量（546 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1, 140 mAh g^-1 @ 50 A g^-1）、低溫（LT）容量（443 mAh g^-1 @ 0.05 A g^-1）和ICE（84%），同時實現了SIBs中能量密度（323 Wh kg^-1）和功率密度（7.02 kW kg^-1）之間的卓越平衡。

更重要的是，對HC電極在不同溫度下的電荷存儲機制有了基本的了解。作者發現HC上的局部結構或SEI調節可以顯著抑制RSEI和RS，并有助于提高RT性能，而電解質固有的Na⁺遷移或去溶劑化能力代表了LT電荷轉移動力學的決定性步驟。這項研究提供了一種新的策略來調節復雜的界面電化學和基于HC材料的電極化學，以實現從RT到LT的高性能Na存儲。

圖2. 全電池的電化學性能

Zinc Single-Atom Regulated Hard Carbons for High Rate and Low Temperature Sodium Ion Batteries，Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202211461