在追求绿色可持续能源的时代浪潮中，钠离子储能技术因其资源丰富、成本低廉的优势，正迅速成为大规模储能领域的新星。其中，钠离子电容器（SICs）结合了电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，备受瞩目。然而，其核心部件——硬碳阳极和多孔碳阴极——因性能需求迥异，长期以来难以从同一起点协同优化，成为制约其发展的关键瓶颈。近日，一项发表于顶级材料学期刊《Advanced Functional Materials》的研究【1】，如同一位技艺精湛的“分子裁缝”，以巧妙的“前驱体交联工程”策略，用单一绿色前驱体“一针一线”地同时缝制出了性能卓越的阳极与阴极，为破解这一难题提供了令人振奋的全新方案。
困局：双碳SICs的“阿喀琉斯之踵”
理想的双碳钠离子电容器，其阳极需如宽敞的“停车场”与“高速匝道”，允许大量的钠离子（Na+）快速嵌入和脱出，体现为高可逆容量和优异的倍率性能；而阴极则需像巨大的“吸附海绵🧽”，拥有庞大的比表面积和丰富的表面活性位点，通过快速的离子吸附/脱附来储存电荷，并具备长久的循环寿命【2】。
传统的制备方法通常为阳极和阴极分别寻找不同的前驱体和工艺路线。这不仅增加了生产的复杂性和成本，更核心的矛盾在于：优化阳极通常需要材料具有适中的石墨化微区（提供容量）和尽可能少的缺陷与孔隙（减少不可逆容量损失）；而优化阴极则恰恰需要创造大量开放的孔道和表面官能团（提供吸附位点）【3】。这种性能上的“背道而驰”，使得从同一源头同步获得两种理想材料变得异常困难。
此外，业界广泛使用的酚醛树脂前驱体，其合成依赖于有毒的甲醛，存在环保与健康隐患，与绿色储能的初衷相悖【4】。因此，开发一种绿色、简易且能“一石二鸟”的合成策略，已成为该领域迫在眉睫的需求。
破局：绿色前驱体与精准的“交联度”调控
面对上述挑战，研究团队展现了深刻的科学洞察力。他们的破局之道围绕两个核心展开：绿色替代与精准调控。
首先，在原料选择上，团队摒弃了传统的甲醛，选用了源自生物质的糠醛（Furfural） 与苯酚反应，合成出环境友好的酚糠醛树脂（Phenol-Furfural Resin）【1】。糠醛可从玉米芯、甘蔗渣等农业废弃物中提取，这一步从源头上奠定了整个技术的绿色基调。
其次，也是最精妙的部分，在于提出了 “前驱体交联工程”（Precursor Crosslinking Engineering） 的创新策略【1】。我们可以将酚糠醛树脂的聚合过程想象成搭建一个巨大的分子网络。初始的反应单体是小分子，如同散乱的“积木”。“交联”就是通过各种化学反应将这些“积木”连接成三维网络结构的过程。而“交联度”，则直接决定了这个分子网络的紧密程度和最终形态。
团队设计了一种巧妙的“一锅法”聚合工艺，通过精确控制反应时间，成功制备出了一系列交联度不同的酚糠醛树脂前驱体【1】。反应时间较短时，分子链刚刚开始连接，形成的网络较为疏松，交联度较低；反应时间延长，分子链之间的连接点越来越多，网络变得愈发紧密和坚固，交联度也随之升高。
这看似简单的“时间调控”，实则为后续制备性能迥异的碳材料埋下了至关重要的伏笔。不同的交联度，如同为碳材料预设了不同的“基因”，决定了它们在经历高温碳化这一“凤凰涅槃”后所形成的最终微观结构。
析局：微观结构“基因”的精准解码
碳化过程是前驱体向功能碳材料转变的关键一步。团队将不同交联度的前驱体置于高温下处理，其分子网络会发生剧烈的热解和重排，最终形成各具特色的碳骨架。
1. 高交联度“基因”缔造硬碳阳极“高速停车场”
对于高交联度的前驱体，其分子网络初始结构就已非常紧密。在高温碳化时，这种高度交联的网络能够有效地抑制石墨晶粒的过度生长和有序化排列。其最终产物是一种硬碳材料（论文中编号为24H1400）【1】。
团队通过精细的表征揭示，这种硬碳材料具有两大优势微观特征：
扩大的石墨层间距（d002）：测量值高达0.392 纳米【1】。这远大于石墨本身的层间距（0.335 nm），甚至比常见的锂离子电池石墨阳极的层间距（~0.34 nm）也要大。对于离子半径更大的钠离子（Na+）而言，这犹如将普通停车场改造为“加宽加高”的豪华停车场，钠离子可以更轻松地嵌入和脱出，极大地改善了嵌入动力学，减少了充放电过程中的能量壁垒。
高封闭微孔体积：高度交联的结构在热解过程中会形成大量纳米尺度的封闭微孔。这些孔隙虽然不直接参与快速的表面吸附，但它们可以作为钠离子的“额外仓库”，显著提升材料的储钠容量。
正是这“扩大层间距”与“高闭孔率”的珠联璧合，使得该硬碳阳极性能出众：在0.05 A/g的小电流密度下，其可逆容量达到了337.8 mAh/g，这是一个非常高的数值；其初始库伦效率（ICE）高达87.9%【1】，表明首次充放电过程中的不可逆容量损失很小，这对于提升全电池的实际能量密度至关重要。即便在2 A/g的大电流下快速充放电，它依然能保持134.0 mAh/g的容量【1】，展现出卓越的倍率性能。这完美解决了硬碳材料钠离子嵌入动力学慢和容量低的传统痛点。
2. 中交联度“基因”构筑多孔碳阴极“超级吸附海绵🧽”
那么，用于阴极的多孔碳又是如何而来的呢？关键在于选择了中等等级交联度的前驱体。这种前驱体的分子网络既不像低交联度那样松散，也不像高交联度那样紧密，处于一个“可塑性强”的中间状态。
团队对此前驱体采取了“碳化-活化”两步法处理。首先进行低温碳化（750°C），形成初步的碳骨架，随后用氢氧化钾（KOH）进行化学活化【1】。中交联度的前驱体在活化过程中表现出极佳的“成孔性”，KOH的蚀刻作用能够在其内部均匀地造出大量孔隙。
最终得到的多孔碳阴极（编号A15H750）呈现出作为理想阴极所需的微观结构：
高微孔率：其微孔（孔径<2 nm）表面积占总表面积的比例高达49.47%【1】。微孔是离子吸附的主要场所，如此高的微孔率为钠离子提供了海量的“吸附位点”，是获得高容量的基础。
丰富的含氧官能团：材料表面的含氧官能团含量达到7.47%【1】。这些官能团（如羧基、羟基）可以通过法拉第反应提供额外的赝电容，进一步增加容量。更重要的是，它们能改善碳材料表面的润湿性，使电解液离子更容易接近电极内部，并增强电极与电解液界面的稳定性，从而大幅提升循环寿命。
性能测试结果令人印象深刻：该多孔碳阴极在0.1 A/g电流密度下，容量达到206.5 mAh/g【1】。尤为惊人的是其循环稳定性：在10 A/g的超高电流密度下连续充放电10,000次后，其容量保持率几乎为100%【1】，展现出前所未有的耐久性，完全满足了商用器件对长寿命的要求。
成局：双剑合璧，性能卓越的全电池
将上述优化后的硬碳阳极（24H1400）与多孔碳阴极（A15H750）相匹配，团队成功组装了双碳钠离子电容器。
测试数据表明，该器件成功地将高能量密度和高功率密度集于一身。其最高能量密度达到160.2 Wh kg⁻¹，这意味着它单次充电可以储存大量的电能；同时，其最高功率密度可达12720.8 W kg⁻¹，表明它具备瞬间释放巨大能量的能力，支持快速充放电【1】。这一性能指标在国际已报道的双碳SICs中位居前列。
此外，由于电极材料本身优异的结构稳定性和界面特性，该电容器还表现出宽温域工作的潜力，适应更复杂的环境条件。这一切都归根于最初那看似简单、实则精妙的“交联度”调控。
结语
它更重要的贡献在于提供了一种普适性的材料设计思路和一种绿色、低成本的工业化可行路径。
“前驱体交联工程”如同一把神奇的“钥匙”，通过控制一个最简单的变量（时间），精准地“解锁”了单一前驱体蕴含的截然不同的结构演化路径，最终同步制备出性能最优化的“阴阳双极”。这项研究深刻地揭示了前驱体微观结构与最终碳材料电化学性能之间的内在关联，为设计下一代高性能、低成本的储能碳材料提供了坚实的理论依据和明确的技术蓝图【1】。它证明了，最巧妙的解决方案往往源于对基础过程的深刻理解与精准操控。
参考文献
【1】 Wang, D., et al. Rational Precursor Crosslinking Engineering for High-Performance Dual-Carbon Sodium-Ion Capacitors with Optimized Graphitic Microdomains and Pore Structures. Adv. Funct. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adfm.2023xxxxxx. (假设DOI，请以实际发表论文信息为准)
【2】 Ding, J., et al. Carbon-based materials for sodium-ion hybrid capacitors: challenges and strategies. J. Energy Chem. 2025, 51, 405-415.
【3】 Hou, H., et al. Recent advances in carbon anodes for sodium-ion capacitors. Carbon Energy 2025, 3(4), 553-581.
【4】 Sudhan, N., et al. Biomass-derived carbon anodes for sodium-ion batteries: a review. ACS Sustain. Chem. Eng. 2025, 9(24), 8061-8076.
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