洞庭湖湿地废弃芦苇年产量超百万吨，传统利用方式面临价值低、污染高、能耗大等困境。本研究提出“变废为宝”的可持续策略，以废弃芦苇为前驱体，通过简易碳化工艺制备高性能钠离子电池硬碳负极材料。所得芦苇基硬碳首次库仑效率高达93%，可逆比容量达330 mAh·g^-1，在1.5 A·g^-1大电流密度下循环近5000次后容量保持率仍达96%。研究首次引入分形维数定量表征硬碳中开孔与闭孔的形貌演变规律，揭示了碳化温度升高过程中开孔分形维数降低（表面趋于光滑）、闭孔纳米孔数量增多且尺寸增大、分布更加均匀的关键机制。本研究为废弃生物质的高值化利用提供了新路径，为钠离子电池硬碳负极的规模化应用奠定了理论与技术基础。

标准引用格式：

Lei X, Zhang L, Tian Q, Yang Y. Sustainable biomass-derived hard carbon anode materials toward long-life sodium-ion batteries via the fractal regulation strategy [J]. Sustainable Materials and Technologies, 2025, DOI: 10.1016/j.susmat.2025.e01779

雷勋惠，张磊（通讯作者），田庆华，杨英；

中南大学资源循环研究院，湖南 长沙 410083

发表信息：

Sustainable Materials and Technologies（IF=9.2, JCR Q1，SCIE收录），2025年

https://doi.org/10.1016/j.susmat.2025.e01779

联系邮箱：

zhang_lei@csu.edu.cn（张磊）

钠离子电池（SIBs）凭借与锂离子电池相似的制造工艺和丰富的钠资源，被视为大规模电化学储能系统的重要补充，对实现全球碳中和战略目标具有重要意义。负极材料是钠离子电池的关键组分，但商业化石墨负极因钠离子插层热力学不稳定而储钠性能不佳。非晶态硬碳（HC）材料因具有更大的层间距、丰富的孔隙和缺陷结构，可提供更高的可逆比容量，被认为是更适配钠离子电池的负极材料。相较于树脂、聚合物和煤等前驱体，生物质因来源广泛、成本低廉而更具商业化前景。然而，硬碳材料仍面临首次库仑效率低、循环稳定性差等瓶颈，制约其实际应用。

孔隙工程是调控硬碳电化学储钠性能的关键策略之一。表面过多开孔易过度消耗电解液，降低首次库仑效率和可逆比容量；而闭孔内钠离子的电沉积则可提升储钠性能。然而，以往研究对硬碳孔隙的表征仅局限于孔径尺寸，鲜少涉及孔隙形貌特征的定量研究。分形几何为定量分析碳材料孔隙形貌特征提供了有效工具。与此同时，洞庭湖湿地芦苇年产量超百万吨，随着长江大保护战略下造纸产能大规模退出，芦苇采收废弃导致湿地生态平衡面临挑战。因此，探索芦苇废弃生物质的资源化回收、清洁处置与高值化利用路径，既是生态保护之需，也是资源循环之要。

引入分形维数定量表征硬碳孔隙形貌：首次将分形维数引入芦苇基硬碳开孔与闭孔的形貌演化定量分析，突破了传统研究仅关注孔径尺寸的局限，为硬碳孔隙结构表征提供了全新方法论；

揭示碳化温度驱动的孔隙形貌演化规律：发现随碳化温度升高，开孔分形维数降低（表面趋于光滑、孔道分支简化），闭孔分形维数呈现数量增多、尺寸增大、分布更均匀的演化趋势，建立了孔隙形貌-储钠性能的构效关系；

实现废弃芦苇向高性能硬碳的高值转化：以洞庭湖废弃芦苇为原料，所得硬碳负极首次库仑效率达93%、可逆比容量达330 mAh·g^-1，在1.5 A·g^-1下循环近5000次后容量保持率达96%。

图1为芦苇基硬碳材料的制备与微观结构表征。 研究以洞庭湖废弃芦苇为原料，经焦化、纯化处理及不同温度（800-1600℃）高温碳化，制备系列芦苇基硬碳（RHC）材料。SEM和HRTEM图像显示，所有样品均呈现不规则形貌，高温碳化过程未改变其宏观形貌；但低温制备样品表面存在明显开孔，导致BET比表面积较大；而高温下碳层扭曲折叠形成更多闭孔纳米孔隙。XRD结果表明，(002)峰随碳化温度升高向大角度偏移，层间距从0.380 nm减小至0.367 nm，石墨化程度增强；Raman光谱中I_D/I_G值从6.84降至2.97，缺陷程度显著降低。

图2为孔隙分形维数的定量分析。 基于N₂和CO₂吸附-脱附等温线及SAXS技术，研究首次引入分形维数定量表征硬碳中开孔与闭孔的形貌特征。随着碳化温度升高，基于N₂吸附拟合的开孔分形维数D_f1和D_f2及基于CO₂吸附拟合的微孔分形维数D_c均显著下降，表明开孔和微孔表面趋于光滑、结构趋于均一。与此同时，闭孔直径从1.81 nm增至2.82 nm，质量分形维数D_m和表面分形维数D_s降低，而孔隙分形维数D_p升高，证实了闭孔纳米孔数量增多、尺寸增大且分布更加均匀。这一发现揭示了高温碳化过程中“开孔趋于光滑、闭孔趋于丰富”的孔隙形貌演化规律。

图3展示了芦苇基硬碳的电化学性能。 R-NH-1400样品在30 mA·g^-1下首次可逆容量达330.26 mAh·g^-1，ICE高达92.50%。倍率性能测试表明，在2500 mA·g^-1大电流密度下仍可输出238.20 mAh·g^-1的容量。尤为突出的是，R-NH-1400在1.5 A·g^-1下循环近5000次后容量保持率达96.25%，远超多数已报道硬碳材料。 平台区（<0.1 V）容量占比从R-NH-800的11.80%大幅提升至R-NH-1600的71.88%，表明高温碳化显著增强了闭孔填充储钠贡献。

图4为储钠动力学与机理分析。 GITT测试表明，R-NH-1400在整个电压范围内具有最大的Na⁺扩散系数，其中>0.1 V的斜坡区呈现持续高扩散系数，而0.05-0.1 V的平台区扩散系数显著降低，证实了从表面吸附向体相扩散的机制。非原位XRD显示，(002)峰在放电过程中从23.38°移至22.59°，层间距从0.380 nm膨胀至0.393 nm，充电后完全恢复，体现了优异的结构可逆性。非原位Raman光谱中ID/IG值从OCV的3.73增至0.1 V的4.42，证实了Na⁺在缺陷位点的表面吸附。综合以上分析，研究确立了芦苇基硬碳“吸附（>0.1 V）-插层（0.05-0.1 V）-插层/填孔（<0.05 V）”的三步储钠机理。

本研究成功实现了洞庭湖废弃芦苇生物质的资源化回收、清洁处置与高值化利用。通过系统调控碳化温度（800-1600℃），揭示了高温碳化过程中芦苇基硬碳石墨化程度提升、缺陷减少、比表面积降低的微观结构演化规律。首次将分形维数引入硬碳孔隙形貌的定量表征，阐明了碳化温度升高过程中开孔分形维数降低（表面光滑化）与闭孔纳米孔数量增多、尺寸增大、分布均匀化的协同演化机制，为硬碳孔隙结构的精准调控提供了全新的理论工具。

优化后的芦苇基硬碳展现出优异的电化学性能：首次库仑效率达93%、可逆比容量330 mAh g^-1，在1.5 A g^-1下循环近5000次后容量保持率仍达96%，综合性能优于多数已报道硬碳材料。技术经济评估表明，芦苇基硬碳在户用储能、电网储能、插电混动和纯电动车四种应用场景下，电池包成本均低于商用硬碳和石墨负极。

本研究不仅为废弃生物质的高值化利用提供了切实可行的技术路径，也为钠离子电池硬碳负极材料的规模化制备与应用奠定了理论与技术基础。后续研究可进一步聚焦于工艺优化与工程化放大、多源生物质前驱体的普适性拓展及全电池系统的长寿命验证等方面。