一、基础信息

论文来源

期刊：Chemical Engineering Science，2026 年 5 月 4 日在线；DOI：10.1016/j.ces.2026.124167

论文标题：Optimizing Sodium Storage in Pitch-Derived Hard Carbon by Balancing Active Sites and Trap Effects via N/P Co-doping

合作单位：广东工业大学、广州大学、中山大学、中石化石科院；通讯作者：刘全兵、杨伟

研究对象

石油沥青基硬碳负极材料，采用模板 - 预氧化 + 梯度 N/P 共掺杂改性，调控掺杂比例得到系列样品，最优样品为 C-NP (7:3)

核心关键词

沥青基硬碳、钠离子电池负极、N/P 共掺杂、活性位点、陷阱效应、层间距、首次库伦效率、石油副产物高值化、化工过程调控

二、研究背景

低成本开发高性能碳材料是突破高效、致密电化学储能技术瓶颈的关键之一。硬碳是最具商业化潜力的负极材料，而石油沥青作为炼油副产物，具有碳收率高、成本极低的化工优势，其高值化转化是化学工程领域的重要方向。然而，沥青本质上是软碳前驱体，直接热解易形成石墨化结构，层间距小、活性位点不足，且盲目杂原子掺杂会引入“陷阱效应”（不可逆钠离子吸附），降低首次库伦效率。如何在化学工程框架下，通过分子/原子水平的改性策略，平衡活性位点与陷阱效应，是沥青基硬碳走向应用的核心科学问题。

三、文章主要内容

一体化改性工艺

采用模板法联合预氧化抑制沥青石墨化，再调控磷酸铵配比实现梯度 N/P 共掺杂；P 原子撑开碳层扩大层间距，同时引入吡啶 N、吡咯 N、P-C、P=O 多种活性官能团，精准调控碳材料无序度与缺陷密度。

掺杂比例带来的性能权衡规律

不同 N/P 配比样品性能差异明显：掺杂比例升高容量提升，但过度掺杂陷阱效应加剧，首效下滑。最优配比 C-NP (7:3) 兼顾容量与可逆性：0.1 C 可逆容量 409.38 mAh g⁻¹，首次库伦效率 59.13%；2 C 循环 1000 圈容量保持 89.48%，6 C 倍率仍保有 116.56 mAh g⁻¹。

动力学与理论机理分析

C-NP (7:3) 钠离子扩散系数高、电荷转移阻抗低，表面电容储钠占比达 81.94%；DFT 计算证明 N/P 共掺杂结构钠离子吸附能适中，既提供充足储钠位点，又不会因吸附过强造成钠离子不可逆滞留，实现活性位点与陷阱效应平衡。

工程应用价值

整套改性工艺基于成熟化工流程，可放大生产，实现炼油副产物沥青高值化，为杂原子掺杂硬碳负极工业化提供掺杂比例优化新思路。

图1. 结构优化与性能。

图2. 不同掺杂材料的基础物性。

图3. 不同样品的电化学性能。

图4. 储钠动力学及平衡机制。

总结

本研究突破了“掺杂即有利”的简单认知，从化学工程角度系统揭示了N/P共掺杂比例对沥青基硬碳储钠性能的双刃剑效应。通过协同模板‑预氧化与梯度掺杂，团队成功构建了层间距扩大、缺陷可控、活性位点丰富的硬碳结构，并在活性位点与陷阱效应之间找到了最佳平衡点。最优C‑NP(7:3)样品兼具高容量、高首效、优异倍率和超长循环寿命。该工作不仅为石油沥青这一大宗化工副产物的高值化利用提供了可放大的化学改性工艺，也为杂原子掺杂碳材料的工业化设计提供了“掺杂比例优化”的新范式。