钠离子电池（SIBs）的负极材料是实现其商业化应用的关键因素之一。近年来，已经开发出多种类型的负极材料，以提高电池的性能，包括碳基材料、钛基化合物、合金材料、金属化合物和有机化合物等。其中，无定形碳中的硬碳、软碳材料被认为是具有潜力的钠离子电池负极材料。

这些材料的选择和优化对于提高钠离子电池的电化学性能至关重要。

碳基材料可以分为石墨、软碳以及硬碳. 碳基材料因其资源丰富、成本低廉和环境友好等优点，一直是钠离子电池负极材料研究的重点。例如，通过将尿素和沥青混合后加热制备的C/g-C3N4复合材料，展现出了较高的钠储存容量和良好的循环稳定性。

其中，无定形碳中的硬碳、软碳材料被认为是具有潜力的钠离子电池负极材料。

硬碳作为钠离子电池负极材料，面临的主要问题包括首次库伦效率低和倍率性能差。为了提升其储钠性能，研究者们采取了多种策略，如通过调控前驱体的合成以及热解过程来微观上调控硬碳的孔隙结构和层间距离，以及对硬炭表面进行包覆、修饰、杂原子掺杂或高温炭化来调控其微观结构。

制备硬碳材料的前驱体常见的有生物质、合成聚合物和化石燃料等，不同前驱体制备的硬碳材料具有显著的性能差异，由于前驱体原料来源不同，硬碳材料成本构成也有显著差别。其中，生物质的原材料来源广泛，如椰壳、果壳、柚子皮、动植物组织等，成本相对较低，成为当前制备硬碳材料的首选。合成聚合物主要包括酚醛树脂、聚丙烯腈等化学合成材料，其电化学性能好、原料可控、产品一致性好，但成本较高。化石燃料主要包括沥青、煤焦油及相关混合物，原料来源广泛成本低，但产品容量较低，由于沥青等含有的挥发性物质较多，在生产过程中需要进行额外的废气、废水处理，因此增加了生产成本。

制备硬碳的方法多样，涉及不同的前驱体材料、碳化工艺和结构调控策略。

硬碳的制备包含以下步骤：

前驱体选择：硬碳前驱体包括生物质材料（如核桃壳、椰壳、淀粉等）、树脂类和高分子材料（如酚醛树脂、聚丙烯腈等）。

碳化过程：将选定的前驱体在特定条件下进行碳化，这一过程可能涉及到化学气相沉积、高温裂解等多种技术手段。

结构调控：通过控制碳化条件（如温度、压力、气氛等）来调控硬碳的微观结构，从而改善其电化学性能。

表面改性：对碳化后的硬碳进行表面改性处理，如酸洗、碱洗、表面涂层等，以提高其电化学性能和稳定性。

性能测试：对制备好的硬碳材料进行一系列的电化学性能测试，包括首周库伦效率、储钠容量、循环稳定性、倍率性能等。

硬碳材料的选择和制备

硬碳前驱体的选择直接关系到最终产品的性能。生物质材料因其来源广泛、环保特性好，成为较受欢迎的前驱体。例如，核桃壳、椰壳等已被证实可用于制备性能优异的硬碳。

在碳化过程中，控制好反应条件至关重要。不同的碳化方法（如化学气相沉积、高温裂解等）会影响硬碳的微观结构和电化学性能。一般来说，高温裂解法可以在较大程度上保证硬碳材料的均匀性和稳定性。

结构调控和性能优化

硬碳的结构调控主要集中在孔隙结构、缺陷和表面的官能团等方面。这些因素都会影响到硬碳的储钠机制和性能。例如，通过引入氮元素，可以改善硬碳的孔隙结构和电导率，进而提升其储钠性能。

性能优化还包括通过电解液调控、界面修饰等手段来提高硬碳的循环稳定性和倍率性能。这些改性方法可以提升硬碳的综合性能，使其更适应商业化的要求。